WO2021164988A1

WO2021164988A1 - Ein verfahren zur additiven herstellung einer plattformstruktur für eine turbinenschaufel oder ein ringsegment einer strömungsmaschine.

Info

Publication number: WO2021164988A1
Application number: PCT/EP2021/051592
Authority: WO
Inventors: Johannes Albert; Robert Herfurth; Jose Angel Hernandez Maza; Jan Münzer
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 2020-02-19
Filing date: 2021-01-25
Publication date: 2021-08-26
Also published as: DE102020202089A1

Abstract

Verfahren zur additiven Herstellung einer Plattformstruktur (10) für eine Turbinenschaufel (50), oder ein Ringsegment einer Strömungsmaschine (60), umfassend: - a) Bereitstellen einer Geometrie der Plattformstruktur (10), wobei die Plattformstruktur (10) sickenartige Vertiefungen (11) aufweist, die durch Rippen (12) voneinander getrennt sind, wobei die Vertiefungen (11) angeordnet und ausgebildet sind, eine Festigkeit der Plattformstruktur (10) in ihrem bestimmungsgemäßen Betrieb bei gleichzeitiger Massereduktion zu erhöhen, und - b) additives Herstellen der Plattformstruktur (10) gemäß der bereitgestellten Geometrie durch selektives Bestrahlen eines Rohmaterials (P) aus einem Pulverbett.

Description

Beschreibung

EIN VERFAHREN ZUR ADDITIVEN HERSTELLUNG EINER PLATTFORMSTRUKTUR FÜR EINE TURBINENSCHAUFEL ODER EIN RINGSEGMENT EINER STRÖMUNGSMASCHINE

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur additi ven Herstellung einer Plattform für eine Turbinenschaufel, wie eine Verdichterschaufel oder insbesondere eine Turbinen- leitschaufei . Weiterhin werden ein entsprechendes Computer programmprodukt und eine Plattformstruktur, welche nach dem beschriebenen Verfahren hergestellt ist, angegeben.

Das Plattformsegment bzw. die Plattform kann vorzugsweise als Teil einer Kopf- und/oder Fußplatte, oder eines entsprechen den Segmentes oder Deckbandes vorgesehen sein. Solche Bautei le bestehen vorzugsweise aus einer Superlegierung, insbeson dere einer nickel- oder kobaltbasierten Superlegierung. Die Legierung kann weiterhin ausscheidungsgehärtet sein.

In Gasturbinen wird thermische Energie und/oder Strömungs energie eines durch Verbrennung eines Brennstoffs, z.B. eines Gases, erzeugten Heißgases in kinetische Energie (Rotationse nergie) eines Rotors umgewandelt. Dazu ist in der Gasturbine ein Strömungskanal ausgebildet, in dessen axialer Richtung der Rotor bzw. eine Welle gelagert ist. Wird der Strömungska nal von einem Heißgas durchströmt, werden die Laufschaufeln mit einer Kraft beaufschlagt, die in ein auf die Welle wir kendes Drehmoment umgewandelt wird, das den Turbinenrotor an treibt, wobei die Rotationsenergie z.B. zum Betrieb eines Ge nerators genutzt werden kann.

Moderne Gasturbinen sind Gegenstand stetiger Verbesserung, um ihre Effizienz zu steigern. Dies führt allerdings unter ande rem zu immer höheren Temperaturen im Heißgaspfad. Die metal lischen Materialien für Laufschaufeln, insbesondere in den ersten Stufen, werden ständig hinsichtlich ihrer Festigkeit bei hohen Temperaturen, Kriechbelastung und thermomechani scher Ermüdung, verbessert. Die generative oder additive Fertigung wird aufgrund ihres für die Industrie disruptiven Potenzials zunehmend interes sant auch für die Serienherstellung der oben genannten Turbi nenkomponenten, wie beispielsweise Turbinenschaufeln oder Brennerkomponenten .

Additive Herstellungsverfahren umfassen beispielsweise als Pulverbettverfahren das selektive Laserschmelzen (SLM) oder Lasersintern (SLS), oder das Elektronenstrahlschmelzen (EBM). Weitere additive Verfahren sind beispielsweise „Directed Energy Deposition (DED) "-Verfahren, insbesondere Laserauf tragschweißen, Elektronenstrahl-, oder Plasma-Pulver schweißen, Drahtschweißen, metallischer Pulverspritzguss, so genannte „sheet lamination"-Verfahren, oder thermische Spritzverfahren (VPS LPPS, GDCS).

Ein Verfahren zum selektiven Laserschmelzen ist beispielswei se bekannt aus EP 2601 006 Bl.

Additive Fertigungsverfahren (englisch: „additive manufac- turing") haben sich weiterhin als besonders vorteilhaft für komplexe oder filigran gestaltete Bauteile, beispielsweise labyrinthartige Strukturen, Kühlstrukturen und/oder Leicht- bau-Strukturen erwiesen. Insbesondere ist die additive Ferti gung durch eine besonders kurze Kette von Prozessschritten vorteilhaft, da ein Herstellungs- oder Fertigungsschritt ei nes Bauteils weitgehend auf Basis einer entsprechenden CAD- Datei und der Wahl entsprechender Fertigungsparameter erfol gen kann.

Das Computerprogrammprodukt kann weiterhin Geometriedaten oder Konstruktionsdaten in einem dreidimensionalen Format bzw. als CAD-Daten enthalten bzw. ein Programm oder Programm code zum Bereitstellen dieser Daten umfassen.

Eine CAD-Datei oder ein entsprechendes Computerprogrammpro dukt, kann ebenfalls beispielsweise als (flüchtiges oder nicht-flüchtiges) Speichermedium, wie z.B. eine Speicherkar te, ein USB-Stick, eine CD-ROM oder DVD, oder auch in Form einer herunterladbaren Datei von einem Server und/oder in ei nem Netzwerk bereitgestellt oder umfasst werden. Die Bereit stellung kann weiterhin zum Beispiel in einem drahtlosen Kom munikationsnetzwerk durch die Übertragung einer entsprechen den Datei mit dem Computerprogrammprodukt erfolgen. Ein Com puterprogrammprodukt kann Programmcode, Maschinencode bzw. numerische Steuerungsanweisungen, wie G-Code und/oder andere ausführbare Programmanweisungen im Allgemeinen beinhalten.

Die Herstellung von Gasturbinenschaufeln oder entsprechenden Ringsegmenten mittels der beschriebenen pulverbett-basierten Verfahren (LPBF englisch für „Laser Powder Bed Fusion") er möglicht vorteilhaft die Implementierung von neuen Geomet rien, Konzepten, Lösungen und/oder Design, welche die Her stellungskosten bzw. die Aufbau- und Durchlaufzeit reduzie ren, den Herstellungsprozess optimieren und beispielsweise eine thermo-mechanische Auslegung oder Strapazierfähigkeit der Komponenten verbessern können.

Auf konventionelle Art, beispielsweise gusstechnisch, herge stellte Schaufelkomponenten, stehen der additiven Fertigungs route beispielsweise hinsichtlich ihrer Designfreiheit und auch in Bezug auf die erforderliche Durchlaufzeit und den da mit verbundenen hohen Kosten sowie dem fertigungstechnischen Aufwand deutlich nach.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Herstellungsverfahren sowie Design für Schaufel komponenten, insbesondere Plattformsegmente, vorzugsweise für Gasturbinen anzugeben, welche in der Energieerzeugung einge setzt werden. Die beschriebenen Mittel, können insbesondere dazu beitragen, die Herstellung effizienter zu gestalten, als auch die Komponente für ihren Betrieb mit verbesserten mecha nischen Eigenschaften auszustatten. Insbesondere soll es er möglicht werden, die additive Fertigungsroute vorteilhaft zu nutzen, wobei deren bekannte Einschränkungen und Nachteile durch die beschriebene Lösung teilweise umgangen werden kön nen.

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 additiven Herstellung einer Plattformstruktur oder eines Plattformsegments für eine Strömungsmaschine, insbesondere eine Turbinenschaufel oder ein Ringsegment. Das Verfahren um fasst das Bereitstellen einer Geometrie der Plattformstruktur - beispielsweise im Wege der Bereitstellung einer Geometrie für eine entsprechende Turbinenkomponente als Ganzes - wobei die Plattformstruktur sickenartige Vertiefungen, Kavitäten oder Aussparungen aufweist, die durch Rippen voneinander ge trennt sind, wobei die Vertiefungen weiterhin angeordnet und ausgebildet sind, eine Festigkeit der Plattformstruktur in ihrem bestimmungsgemäßen Betrieb - bei gleichzeitiger Mas sereduktion, oder zumindest bei gegebener oder konstanter Masse - zu erhöhen.

Technische Vorteile der sickenartigen Vertiefungen der Platt formstruktur äußern sich bereits während der additiven Her stellung. Zum einen kann durch die eingebrachten Hohlräume oder Aussparungen Material (Rohmaterial) eingespart werden. Vorzugsweise wird für die Komponente der Plattformstruktur nämlich weniger Material benötigt, als für den Fall, bei dem die Plattform keinerlei Sicken oder Vertiefungen, sondern beispielsweise eine ebene Oberfläche hat. Weiterhin kann durch weniger aufzuschmelzendes Material natürlich auch die Prozesszeit, welche eine maßgebliche Einschränkung der addi tiven Prozesse darstellt, verkürzt werden, da weniger Pulver schichten oder Pulverbereiche im Prozess bestrahlt und aufge schmolzen werden müssen. Diese Aspekte können bereits die Kosten des additiven Herstellungsprozesses maßgeblich verrin gern. Ein weiterer positiver Einfluss der Sicken äußert sich wäh rend des Aufbauprozesses dadurch, dass durch die Reduktion an aufzuschmelzendem Material im Bereich der Plattformvertiefun gen durch eine verringerte Eigenspannung auch weniger mecha nischer Verzug entsteht.

Ein weiterer technischer Vorteil der sickenartigen Vertiefun gen oder Kavitäten zeigt sich direkt in den mechanischen bzw. thermomechanischen Eigenschaften der genannten Plattformen. Die Ausgestaltung der Sicken in der Plattform führt zu ver besserter mechanischer Festigkeit und/oder zur Massenredukti on bzw. Gewichtsoptimierung.

Überdies wird eine Oberfläche der Plattform durch die Vertie fungen und die Rippen vorteilhaft vergrößert, sodass eine verbesserte Kühlung der Komponente im Betrieb erreicht werden kann.

Diese Aspekte betreffen direkt den bestimmungsgemäßen Betrieb der entsprechenden Plattform oder Turbinenkomponente. Durch die entsprechend verbesserte Leistungsfähigkeit kann auch ei ne Gasturbine, welche üblicherweise eine Vielzahl von Turbi- nenleitschaufeikränzen aufweist, bzw. deren Verschleißanfäl ligkeit und Effizienz insgesamt deutlich verbessert werden.

Weiterhin umfasst das Verfahren das, insbesondere schichtwei se, additive Herstellen der Plattformstruktur gemäß der be- reitgestellten Geometrie durch selektives Bestrahlen eines Rohmaterials, wie eines Pulvers, aus einem Pulverbett, bei spielsweise durch selektives Laserschmelzen oder Elektronen strahlschmelzen .

In einer Ausgestaltung wird die Plattformstruktur derart in einer additiven Herstellungsanlage angeordnet, dass die die Vertiefungen trennenden Rippen - bzw. deren Längsachse - ei nen Winkel von größer oder gleich 50° zu einer Oberfläche ei ner Bauplatte, beispielsweise einer entsprechenden additiven Herstellungsanlage für SLM oder EBM, einschließen. Entsprechenden additiven Herstellungsanlage oder Vorrichtun gen ist normalerweise gemein, dass eine ebene Bauplatte vor gesehen wird, ausgehend von der ein Bauteil vertikal entlang einer Aufbaurichtung (nach oben) aufgebaut (verschweißt) wird. Besondere technische Vorteile der Struktur- und Ober flächengüte der aufgebauten Plattformstruktur ergeben sich für die beschriebenen Winkel.

Die beschriebene Anordnung einer additiv aufzubauenden Kompo nente relativ zu einer Bauplattform erfolgt üblicherweise be reits in einer Herstellungsvorbereitung, beispielsweise mit Mitteln des CAM ( "Computer-Aided Manufacturing").

In einer Ausgestaltung wird die Plattformstruktur als Teil einer Fuß- und/oder Kopfplatte einstückig mit einer Turbinen komponente, wie einer Turbinenleitschaufei, welche zweckmäßi gerweise ebenfalls ein Schaufelblatt aufweist, bzw. einem Ringsegment additiv durch selektives Bestrahlen des Rohmate rials aus dem Pulverbett hergestellt. Die Plattformstruktur wird also gemäß dieser Ausgestaltung vorzugsweise im Rahmen des additiven „Drucks" der ganzen Schaufelkomponente herge stellt.

In einer Ausgestaltung wird die Geometrie der Turbinenkompo nente derart in der entsprechenden additiven Herstellungsan lage angeordnet, dass eine Anströmkante eines Schaufelblattes der Turbinenleitschaufei parallel zur Schichtebene, einer je den aufgebauten Schicht, ausgerichtet ist. Da die genannten Pulverbettprozesse erfordern, nach dem Aufschmelzen einer einzelnen Schicht, wieder eine neue Pulverlage auf der Bau plattform bereitzustellen, ist die genannte Schichtebene vor zugsweise parallel zu einer Ebene oder Oberfläche der Bau platte. Diese spezielle Anordnung der Turbinenleitschaufei im Bauraum ermöglicht es vorteilhaft, überhängende Bereiche, welche im Prozess thermisch und/oder mechanisch durch Stütz strukturen unterstützt werden müssen, zu minimieren. In einer Ausgestaltung wird die Geometrie der Turbinenleit schaufel derart in der entsprechenden additiven Herstellungs anlage angeordnet, dass eine Abströmkante des Schaufelblattes entlang einer Aufbaurichtung (vertikal Richtung) von der Ab strömkante beabstandet ausgerichtet ist. Diese Ausgestaltung im Zusammenhang mit der vorherigen Ausgestaltung ermöglicht in besonderem Maße die Vermeidung von überhängenden Berei chen, welche aufwendig mit Stützstrukturen versehen werden müssen.

Bei der beschriebenen Anordnung der Leitschaufelkomponente kann sich beispielsweise ebenfalls eine Spannweite des Schau felblattes parallel zu den Schichten erstrecken und/oder eine Skelettlinie des Schaufelblattes im Wesentlichen parallel zur Aufbaurichtung .

In einer Ausgestaltung werden (restliche oder unvermeidliche) Stützstrukturen zum mechanischen und oder thermischen Unter stützen von überhängenden Bereichen nach dem selektiven Be strahlen entfernt. Ganz ohne Stützstrukturen kommt man bei den beschriebenen Verfahren üblicherweise deshalb nicht aus, da die Komponenten, sofern sie sich für die additive Ferti gung eignen oder prädestinieren, kompliziert geformt sind und demgemäß notwendigerweise irgendwelche überhängenden Bereiche zeigen.

In einer Ausgestaltung umfasst das Verfahren weiterhin eine mechanische, beispielsweise oberflächliche, Nacharbeit und/oder eine thermische Nachbehandlung, beispielsweise zur thermischen Spannungsrelaxation und/oder zum Ausbilden von Phasenausscheidungen zur Härtung des Materials.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Plattform bzw. eine Plattformstruktur, welche nach dem be schriebenen Verfahren herstellbar oder hergestellt ist, wobei die Vertiefungen, vorzugsweise jeweils, rechteckförmig, vier eckig oder mehreckig sind. Durch diese Ausgestaltung kann be sonders zweckmäßig die Festigkeit der Plattform erhöht wer- den, da die Plattform üblicherweise eine ähnliche, rechteck förmige Geometrie aufweist.

In einer Ausgestaltung sind die Vertiefungen regelmäßig, bei spielsweise viereckig, mehreckig oder rechteckförmig, in ei nem Feld über die Plattformstruktur verteilt, angeordnet. Diese Ausgestaltung ermöglicht es ebenfalls vorteilhafter weise, die mechanische Auslegung der Plattform zu verbessern bzw. deren Festigkeit zu optimieren.

In einer Ausgestaltung umfasst die Plattformstruktur Rippen einer ersten Art und Rippen einer, von der ersten Art ver schiedenen zweiten Art. Durch diese Ausgestaltung kann der Abstand der Vertiefungen vorteilhaft variabel gehalten wer den, und ebenfalls mechanische Eigenschaften maßgeschneidert werden.

In einer Ausgestaltung sind Rippen der ersten Art rechtwink lig oder weitgehend rechtwinklig zu Rippen der zweiten Art, oder umgekehrt, angeordnet. Diese Ausgestaltung ist ebenfalls vorteilhaft hinsichtlich einer flächigen Festigkeitserhöhung der Plattform.

In einer Ausgestaltung haben die Rippen der ersten Art eine Breite bzw. Dicke zwischen 1 mm und 5 mm.

In einer Ausgestaltung haben die Rippen der zweiten Art eine Breite bzw. Dicke zwischen 2 mm und 10 mm.

In einer Ausgestaltung sind die Rippen der zweiten Art dop pelt so breit bzw. dick ausgestaltet wie die Rippen der ers ten Art.

In einer Ausgestaltung der Plattformstruktur ist diese Teil einer (in deren Betrieb) fluidkühlbaren Turbinenleitschaufei, wobei innerhalb von mindestens einer der Rippen beispielswei se Rippen der zweiten Art, ein Kühlkanal zur Kühlung der Kom ponente verläuft. Durch diese Ausgestaltung kann die Platt- form und/oder die ganze Turbinenleitschaufel vorteilhaft flu idkühlbar ausgestaltet werden, ohne dass auf die Festigkeits verbesserung der sickenartigen Vertiefungen verzichtet werden muss.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Turbinenkomponente, wie eine Turbinenleitschaufel oder ein Ringsegment für eine stationäre Gasturbine zur Energieerzeu gung oder eine Industriegasturbine, wobei die Komponente die Plattformstruktur, wie oben beschrieben, als Teil einer Fuß- und/oder Fußplatte umfasst.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Computerprogramm bzw. Computerprogrammprodukt, umfassend Be fehle, die bei der Ausführung eines entsprechenden Programms durch einen Computer, beispielsweise zur Steuerung der Be strahlung oder des Scanvorgangs in einer additiven Herstel lungsanlage, diesen veranlassen, die Geometrie, beispielswei se über eine CAD-Datei, bereitzustellen und/oder die additive Herstellung, wie oben beschrieben, durchzuführen. Insbesonde re die Befehle des Computerprogrammproduktes zur selektiven Bestrahlung können beispielsweise eine Unterteilung der Geo metrie in einzelne Schichten und eine Festlegung von Bestrah lungsparametern umfassen.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Turbinenkomponente , aufweisend als Teil einer Fuß- und/oder Kopfplatte eine Plattformstruktur, umfassend sickenartige Vertiefungen, welche angeordnet ausgebildet sind, eine Fes tigkeit der Plattformstruktur in ihrem bestimmungsgemäßen Be trieb bei gleichzeitiger Massenreduktion zu erhöhen.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Turbine, aufweisend eine oder eine Anordnung von Turbinenkom ponenten, wie oben beschrieben.

Ausgestaltungen, Merkmale und/oder Vorteile, die sich vorlie gend auf das additive Herstellungsverfahren bzw. das Compu- terprogrammprodukt beziehen, können ferner die Plattform- Struktur direkt oder die Schaufelkomponente betreffen oder umgekehrt.

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

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren beschrieben.

Figur 1 zeigt eine schematische Schnitt- oder Seitenansicht eines Bauteils während seiner additiven Herstellung aus einem Pulverbett.

Figur 2 zeigt eine bekannte Plattformstruktur als Kopf- bzw. Fußplatte einer Turbinenleitschaufei.

Figur 3 zeigt eine Plattformstruktur als Kopfplatte und als Fußplatte, einer Turbinenleitschaufei gemäß der vorliegenden Erfindung.

Figur 4 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Turbinen leitschaufelkomponente, umfassend eine Plattform, welche er findungsgemäß durch ein additives Verfahren herstellbar ist. Weiterhin ist eine Orientierung der Komponente im Bauraum einschließlich einer Stützstruktur angedeutet.

Figur 5 deutet detailliert eine Orientierung von Rippenstruk turen einer erfindungsgemäßen Plattformstruktur relativ zu einer Bauplatte an.

Figur 6 deutet schematisch Teile der Bauplattform, insbeson dere mit erfindungsgemäßen sickenartigen Vertiefungen und Rippen an. Figur 7 deutet schematisch eine Turbine mit Turbinenleit schaufeln an.

Figur 8 zeigt ein schematisches Flussdiagramm mit erfindungs gemäßen Verfahrensschritten.

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 eine additive Herstellungsanlage bzw. Herstel lungsvorrichtung 100. Die Herstellungsanlage 100 ist vorzugs weise als LPBF-Anlage und für den additiven Aufbau von Bau teilen oder Komponenten aus einem Pulverbett ausgestaltet.

Die Anlage 100 kann im Speziellen auch eine Anlage zum Elekt ronenstrahlschmelzen betreffen. Demgemäß weist die Vorrich tung eine Bauplattform 1 auf. Auf der Bauplattform 1 wird ein additiv herzustellendes Bauteil 10' schichtweise aus einem Pulverbett hergestellt. Letzteres wird durch ein Pulver P ge bildet, welches durch eine Beschichtungseinrichtung 5 schichtweise auf der Bauplattform 1 verteilt werden kann.

Nach dem Aufträgen einer jeden Pulverschicht (vergleiche Schichtdicke L) werden gemäß der vorgegebenen Geometrie des Bauteils 10' selektiv Bereiche der entsprechenden Schicht L mit einem Energiestrahl 4, beispielsweise einem Laser oder Elektronenstrahl, von einer Bestrahlungseinrichtung 3 und/oder einer entsprechenden Steuerung 6 aufgeschmolzen und anschließend verfestigt.

Nach jeder Schicht L wird die Bauplattform 1 vorzugsweise um ein der Schichtdicke L entsprechendes Maß abgesenkt (verglei che nach unten gerichteter Pfeil in Figur 1). Die Schichtdi- cke L beträgt üblicherweise lediglich zwischen 20 mpiund 40 mpi, so dass der gesamte Prozess leicht eine Bestrahlung einer Anzahl von Tausenden bis hin zu mehreren 10.000 Schichten er fordern kann.

Dabei können durch den lediglich sehr lokal wirkenden Ener gieeintrag hohe Temperaturgradienten, von beispielsweise 10⁶ K/s oder mehr auftreten. Dementsprechend groß ist selbstver ständlich während des Aufbaus und danach üblicherweise auch ein Verspannungszustand des Bauteils 10', was die additiven Herstellungsprozessen bzw. eine entsprechende Nachbearbeitung erheblich verkompliziert.

Die Geometrie des Bauteils wird üblicherweise durch eine CAD- Datei („Computer-Aided-Design") bereitgestellt.

Nach dem Einlesen einer solchen Datei in die Anlage 100 er fordert der Prozess üblicherweise zunächst die Festlegung ei ner geeigneten Bestrahlungsstrategie beispielsweise durch Mittel des CAM („Computer-Aided-Manufacturing"), wodurch nor malerweise auch ein Aufteilen der Bauteilgeometrie in die einzelnen Schichten L erfolgt.

Figur 2 zeigt in einer perspektivischen Ansicht eine Platt form als Teil einer Kopf- und/oder Fußplatte einer Turbinen komponente, wie einer Turbinenleitschaufei oder einem Ring segment für eine Strömungsmaschine (nicht explizit gekenn zeichnet). Die Plattform 10' weist eine ebene Oberfläche - ohne Erhebungen und Vertiefungen - auf. Bei der gezeigten Plattform kann es sich um eine Schaufelfußplatte handeln. Mit dem Bezugszeichen 20' ist weiterhin eine Kontur eines Schau felblattes angedeutet.

Figur 3 zeigt im oberen Bereich eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Plattform 10 oder Plattformstruktur. Bei der Plattform 10 kann es sich um eine Kopfplatte oder ei ne Fußplatte einer Turbinenleitschaufei (nicht explizit ge kennzeichnet) handeln. Im unteren Bereich ist eine ähnliche Ansicht einer Plattform gezeigt, welche ebenfalls beispiels weise Teil einer Fußplatte oder einer Kopfplatte der Turbi nenkomponente sein kann.

Es ist zu erkennen, dass jede der Plattformstrukturen 10 si ckenartige Vertiefungen 11 aufweist. Bei den Vertiefungen kann es sich um Kavitäten, Ausnehmungen oder Aushöhlungen handeln. Die Vertiefungen 11 sind durch Rippen oder Rippen strukturen 12 voneinander getrennt.

Weiterhin sind die Vertiefungen angeordnet und ausgebildet, eine Festigkeit der Plattform 10 während ihres bestimmungsge mäßen Betriebs, insbesondere bei gleichzeitiger Masseredukti on, zu erhöhen. Dazu sind die Vertiefungen 11 vorzugsweise im Wesentlichen viereckig, mehreckig, oder rechteckförmig ange ordnet und - zur Vermeidung von Risszentren während der Her stellung - mit abgerundeten Ecken versehen. Weiterhin können die Vertiefungen, wie dargestellt, regelmäßig oder quasi regelmäßig in einem rechteckförmigen Feld über die Plattform hinweg verteilt angeordnet sein, um eine Sickenwirkung zweck mäßig zu erzielen.

Dieses beschriebene Design der Plattform bzw. Turbinenleit schaufel eignet sich besonders für die pulverbettbasierte ad ditive Herstellung wie anhand von Figur 1 prinzipiell be schrieben. Auf konventionellem Wege, insbesondere über einen Gussprozess, wären die entsprechenden Vertiefungen nicht oder nur mit übermäßig großem Aufwand herstellbar.

Figur 4 deutet in einer perspektivischen Ansicht eine kom plette Turbinenleitschaufelkomponente 50, umfassend die be schriebenen Plattformstrukturen 10, an. Aufgrund ihres kom plexen Designs ist ein solches Bauteil prädestiniert, auf ad ditivem Wege hergestellt zu werden. Da solche Komponenten je nach Turbinenanwendung und thermischer Belastung häufig auch während des Betriebs durch ein Fluid durchströmt und gekühlt werden können, und nicht zuletzt aufgrund der sickenartigen Vertiefungen, ist eine konventionelle Herstellung langwieri- ger und kostenaufwändiger, als die additive Herstellungsroute aus dem Pulverbett. Ab einer gewissen Geometriekomplexität (vgl. Figur 6 weiter unten) bei der die Rippen beispielsweise weitere Hohlräume oder andere Merkmale aufweisen, kann das Design auf konventionellem Wege überhaupt nicht mehr umge setzt werden.

Bei der Anordnung des Bauteils 50 in einem Bauraum einer ad ditiven Herstellungsvorrichtung (nicht explizit gekennzeich net) würde die Komponente idealerweise (wie in Figur 4 darge stellt) so positioniert, dass eine Anströmkante 21 eines Schaufelblatts 20 der Komponente parallel zu einer Schicht ebene (vergleiche Oberfläche der Bauplatte) ausgerichtet ist. Weiterhin wird eine Abströmkante 22 des Schaufelblatts 20 vorzugsweise entlang einer Aufbaurichtung z von der Anström kante 21 geradlinig nach oben beabstandet arrangiert.

Zwischen der additiv aufzubauenden Komponente 50 und der Bau platte 1 muss für den physischen Aufbau - trotz der optimalen Ausrichtung hinsichtlich Überhängen - dennoch eine Stütz struktur 2 vorgesehen werden, welche die genannten Überhang bereiche (oder sogenannte ,,downskin"-Flächen) thermisch und/oder mechanisch unterstützt.

Es ist weiterhin in Figur 4 zu erkennen, dass die Komponente 50 derart angeordnet ist, dass die Fußplatte und die Kopf platte auf einer Höhe angeordnet sind und die Komponente auf der Spitze der Plattformen 10 steht. Die gezeigte Anordnung ist besonders vorteilhaft für den additiven Aufbau, da die genannten Überhangbereiche (nicht explizit gekennzeichnet) minimiert werden können, d.h. es kann vorteilhafterweise eine möglichst kleine Stützstruktur 2 vorgesehen, mithin mitaufge- baut, werden, was die Herstellung effizienter gestaltet und etwaige mechanische Nachbearbeitungsschritte minimiert.

In Figur 5 ist der Übersichtlichkeit halber lediglich eine der Plattformstrukturen 10 aus Figur 4 relativ zu der Bau plattform 1 angeordnet eingezeichnet. Die die Vertiefungen 11 trennenden Rippen 12 bzw. deren Längsachse schließen jeweils mit der Oberfläche der Bauplattform Winkel von 51 und 52 ein, welche vorzugsweise beide größer oder gleich 50° zu der Ober fläche der Bauplattform sind.

Weiterhin ist zu erkennen, dass die genannten Rippen, Rippen einer ersten Art mit einer kleineren Breite und Rippen einer zweiten, von der ersten verschiedenen Art, und einer größeren Breite, umfassen.

Der Winkel 51 kann die Rippen zweiter Art 12b bezeichnen, und der Winkel 52 kann die Rippen erster Art 12a bezeichnen.

Beide besagten Winkel betragen vorzugsweise mehr als 45°, wo ebenfalls die gerade eben noch möglichen Überhangwinkel für Hochtemperaturwerkstoffe der beschriebenen pulverbett basierten Verfahren liegen. In einer Ausgestaltung betragen die genannten Winkel größer oder gleich 50°, besonders bevor zugt größer gleich 55°, da dies die besten Struktur- und/oder Oberflächenergebnisse liefert.

Die beschriebenen Plattformstrukturen 10, wie vorliegend be schrieben, können erfindungsgemäß - anders als in den Figuren 4 und 7 dargestellt - ebenfalls Teil eines Ringsegments der Strömungsmaschine, oder eines anderen Teils derselben sein, welches plattformartige Strukturen einschließt.

Figur 6 zeigt in einer schematischen Ansicht einen Teil der erfindungsgemäßen Plattformstruktur mit weiteren Einzelhei ten.

Wie oben angedeutet, weist die Plattformstruktur 10 Rippen einer ersten Art 12a auf. Die Rippen der ersten Art 12a wei sen eine Breite bzw. Dicke a auf. Die Dicke a kann beispiels weise zwischen 1 mm und 5 mm betragen. Alternativ kann die Dicke a auch größer gewählt werden. Weiterhin weist die Plattformstruktur 10 Rippen einer zweiten Art 12b auf. Die Rippen der zweiten Art 12b weisen eine Brei te bzw. Dicke b auf. Die Dicke b kann beispielsweise zwischen 2 mm und 10 mm betragen. Alternativ kann die Dicke b eben falls größer gewählt werden. Beispielsweise ist die Dicke a halb so groß wie die Dicke b.

Weiterhin ist in Figur 6 verdeutlicht, dass die Rippen der ersten Art 12a und die Rippen der zweiten Art 12b rechtwink lig oder gekreuzt zueinander verlaufen. Es mag lediglich der perspektivischen Darstellung geschuldet sein, dass die rech ten Winkel nicht explizit aus der Figur hervorgehen.

Durch die beiden parallelen gestrichelten Linien innerhalb der gezeigten Rippen der zweiten Art 12b (vergleiche Bezugs zeichen 13) ist ein Kühlkanal angedeutet, welcher innerhalb der Komponente 10 bzw. 50 und insbesondere innerhalb einer solchen Rippe 12b verlaufen kann, um die Komponente im Be trieb zuverlässig durch eine Fluidkühlung zu kühlen.

Figur 7 deutet lediglich schematisch eine Turbine 60 an. Die Turbine 60 kann eine Industriegasturbine oder eine stationäre Gasturbine zur Energieerzeugung darstellen. Die Turbine 60 weist einen Leitschaufelkranz bzw. eine Anordnung von Turbi- nenleitschaufei 50 auf. Die Turbinenleitschaufei 50 sind vor zugsweise mit erfindungsgemäßen Plattformelementen versehen, insbesondere mit den erfindungsgemäßen sickenartigen Vertie fungen und Rippen ausgestattet, um die Schaufeln, als auch die Turbine 60 mit den erfindungsgemäßen technischen Verbes serungen auszustatten. Weiterhin weist die Turbine einen Ro tor 70 auf, welcher lediglich angedeutet ist.

Figur 8 fasst die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte des vorgestellten additiven Herstellungsverfahrens zusammen.

Das Verfahren umfasst, a), das Bereitstellen einer Geometrie der Plattformstruktur 10, wobei die Plattformstruktur 10 si ckenartige Vertiefungen 11 aufweist, die durch Rippen 12 von- einander getrennt sind, wobei die Vertiefungen 11 angeordnet und ausgebildet sind, eine Festigkeit der Plattformstruktur 10 in ihrem bestimmungsgemäßen Betrieb bei gleichzeitiger Massereduktion zu erhöhen.

Das Verfahren umfasst weiterhin, b), das additive Herstellen der Plattformstruktur 10 gemäß der bereitgestellten Geometrie durch selektives Bestrahlen eines Rohmaterials P aus einem Pulverbett, wie anhand von den Figuren 1 und 4 angedeutet.

Die beschriebenen Verfahrensschritte a) und b) können eben falls im Wege einer Computerimplementierung vollständig oder teilweise durch einen Prozessor oder Mittel zur Datenverar beitung durch- oder ausgeführt werden, beispielsweise durch eine Steuerung bzw. einen Computer einer entsprechenden addi tiven Herstellungsanlage (vergleiche Figur 1).

Optional kann das beschriebene Verfahren das Entfernen von Stützstrukturen (vergleiche Bezugszeichen c) und 2 in Figur 4) zum mechanischen und oder thermischen Unterstützen von überhängenden Bereichen nach dem selektiven Bestrahlen bzw. dem eigentlichen additiven Aufbau umfassen. Weiterhin kann die so erhaltene Komponente mechanisch und/oder thermischen nachbearbeitet werden.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur additiven Herstellung einer Plattform- Struktur (10) für eine Turbinenschaufel (50), oder ein Ring segment einer Strömungsmaschine (60), umfassend:

- a) Bereitstellen einer Geometrie der Plattformstruktur

(10), wobei die Plattformstruktur (10) sickenartige Ver tiefungen (11) aufweist, die durch Rippen (12) voneinan der getrennt sind, wobei die Vertiefungen (11) angeordnet und ausgebildet sind, eine Festigkeit der Plattformstruk tur (10) in ihrem bestimmungsgemäßen Betrieb bei gleich zeitiger Massereduktion zu erhöhen, und

- b) additives Herstellen der Plattformstruktur (10) gemäß der bereitgestellten Geometrie durch selektives Bestrah len eines Rohmaterials (P) aus einem Pulverbett.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Plattformstruktur (10) derart in einer additiven Herstellungsanlage (100) ange ordnet wird, dass die die Vertiefungen (11) trennenden Rippen (12) einen Winkel (51, 52) von größer oder gleich 50° zu ei ner Oberfläche einer Bauplatte (1) einschließen.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Plattform struktur (10) als Teil einer Fuß- und/oder Kopfplatte einstü ckig mit einer Turbinenschaufel bzw. einem Ringsegment (50) additiv durch selektives Bestrahlen des Rohmaterials (P) aus dem Pulverbett hergestellt wird.

4. Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei eine Geometrie der Turbinenleitschaufei (50) derart in einer additiven Herstel lungsanlage angeordnet wird, dass eine Anströmkante (21) ei nes Schaufelblattes (20) der Turbinenleitschaufei (50) paral lel zur Schichtebene (L), und eine Abströmkante (22) des Schaufelblattes (20) entlang einer Aufbaurichtung (z) von der Anströmkante (21) beabstandet, ausgerichtet ist.

5. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wo bei Stützstrukturen (2) zum mechanischen und/oder thermischen Unterstützen von überhängenden Bereichen nach dem selektiven Bestrahlen entfernt werden (c)).

6. Plattformstruktur (10) hergestellt nach dem Verfahren ge mäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vertiefun gen (11) viereckig, mehreckig, oder rechteckförmig sind und/oder regelmäßig in einem Feld über die Plattformstruktur (10) verteilt angeordnet sind.

7. Plattformstruktur (10) gemäß Anspruch 6, wobei die Plattformstruktur (10) Rippen (12) einer ersten Art (12a) und Rippen einer, von der ersten Art verschiedenen, zweiten Art (12b) aufweist und wobei Rippen (12a) der ersten Art recht winklig zu Rippen (12b) der zweiten Art angeordnet sind.

8. Plattformstruktur (10) gemäß Anspruch 7, wobei die Rip pen der ersten Art (12a) eine Breite (a) zwischen 1 mm und 5 mm haben.

9. Plattformstruktur (10) gemäß Anspruch 7 oder 8, wobei die Rippen der zweiten Art (12b) eine Breite (b) zwischen 2 mm und 10 mm haben.

10. Plattformstruktur (10) gemäß Anspruch 9, welche Teil ei ner fluidkühlbaren Turbinenleitschaufei (50) ist und wobei innerhalb von mindestens einer der Rippen (12), beispielswei se Rippen der zweiten Art (12b), ein Kühlkanal (13) zur Küh lung der Komponente verläuft.

11. Turbinenkomponente (50), umfassend die Plattformstruktur (10) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 10 als Teil einer Fuß- und/oder Kopfplatte.

12. Computerprogrammprodukt (CPP), umfassend Befehle, die bei der Ausführung eines entsprechenden Programms durch einen Computer, beispielsweise zur Steuerung der Bestrahlung in ei ner additiven Herstellungsanlage (100), diesen veranlassen, die Geometrie bereitzustellen und/oder das additive Herstel len gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 durchzuführen.

13. Turbinenkomponente (50), aufweisend als Teil einer Fuß- und/oder Kopfplatte eine Plattformstruktur (10), umfassend sickenartige Vertiefungen (11), welche angeordnet und ausge bildet sind, eine Festigkeit der Plattformstruktur (10) in ihrem bestimmungsgemäßen Betrieb bei gleichzeitiger Massere duktion zu erhöhen.

14. Turbine (60), aufweisend eine oder eine Anordnung von Turbinenkomponenten (50) gemäß Anspruch 11 oder 13.