VORRICHTUNG ZUR DURCHFÜHRUNG EINES SELECTIVE LASER MELTING UND EINES LASER METAL DEPOSITION PROZESSES SOWIE DAMIT HERGESTELLTES BAUTEIL

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung eines Selective Laser Melting (SLM) - Herstellungsverfahrens, insbesondere zur Herstellung von Komponenten mit komplexen inneren Strukturen und/oder vielen Einzelteilen für Turbinen, insbesondere für Gasturbinen.

Bekannt ist beispielsweise das SLM-Verfahren, bei dem mittels Laserstrahlen in einem Pulverbett selektiv dreidimensional Metalle geschmolzen und durch Absenken des Pulverbetts Bau- teile im Sinne des Wortes „errichtet" werden. Dabei können sehr feine Strukturen, die Wandstärken im Bereich von 20 bis 100 ym umfassen dargestellt werden. Allerdings ist im SLM- Verfahren die Aufbaurichtung des Bauteils von Anfang an festgelegt. Nachteilig an dem Verfahren ist deshalb, dass ein anisotropes Materialverhalten bei über den SLM-Prozess herge ^¬ stellten Bauteilen resultiert und insbesondere auch, dass die Herstellung überhängender Strukturen im SLM-Prozess nur mittels Hilfsstrukturen möglich ist. Beispielsweise wurde fest ^¬ gestellt, dass die Kriechbeständigkeit der im SLM-Prozess hergestellten Bauteile im Vergleich zu getriebenen Bauteilen stark verringert ist.

Deshalb ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein damit produziertes Bauteil zu schaffen, durch das die Nachteile des Standes der Technik bei SLM- produzierten Bauteilen überwunden werden.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der vorliegenden Er ^¬ findung, wie er in den Ansprüchen und den Figuren offenbart ist, gelöst.

Gegenstand der Erfindung ist demnach eine Vorrichtung zur Durchführung eines Selective Laser Melting (SLM-) Prozesses, wobei eine ein Pulverbett, eine Inertgaskammer und einen La ^¬ serstrahl umfassende SLM-Vorrichtung, die in eine Vorzugsrichtung ein Bauteil aufbaut durch zumindest eine Laser Metal Deposition Vorrichtung, die einen Laserstrahl und ein Pulver- spray umfasst, ergänzt ist, derart, dass zumindest eine Laser Metal Deposition Vorrichtung quer zur Vorzugsrichtung des SLM-Aufbaus angeordnet ist. Außerdem ist Gegenstand der vor ^¬ liegenden Erfindung ein Bauteil, dünnwandige und dickwandige Elemente umfassend, wobei dünnwandige Elemente mittels se- lective laser melting und dickwandige Elemente mittels Laser metal deposition gemacht sind, derart, dass die dünnwandigen Elemente für SLM-hergestellte Bauteile typische Merkmale wie Dimensionen der Wandstärken zwischen 20 und 200 ym und ein anisotropes Eigenschaftsprofil des Materials, sowie vermin- derte Kriechfestigkeit zeigen, wohingegen dickwandige Elemen ^¬ te Wandstärken größer 150ym, insbesondere größer 200ym und besonders bevorzugt größer 300ym haben, keinerlei Vorzugs ^¬ richtung und ein isotropes Eigenschaftsprofil zeigen. Durch die Erfindung wird es möglich, die Nachteile der SLM- hergestellten Bauteile zu überwinden, weil die schwachen, dünnwandigen Strukturen des SLM-Produktes durch starke Strukturen, die über LMD herstellbar sind, ergänzt werden. Beispielsweise ist ein Prototyp eines Turbinenblatts eine be ^¬ vorzugte Ausführungsform des Bauteils gemäß der Erfindung, indem die inneren, feinen, komplexen und für die Kühlung verantwortlichen dünnwandigen Strukturen typische SLM-Bauteile und die dickwandigen tragenden Außenkonturen typische LMD Bauteile sind.

Insbesondere können über die Kombination des SLM mit dem LMD- Verfahren auch hybride Bauteile verschiedener Materialkombi ^¬ nationen hergestellt werden, die trotzdem die inneren feinen SLM-Strukturen aufweisen. Dazu liegt beispielsweise eine in ^¬ nere Struktur aus einem ersten Material, das für die Herstel ^¬ lung feiner Kühlstrukturen geeignet ist, vor und eine äußere Struktur, die aus einem oder mehreren Materialien gemacht ist und die dickwandige gröbere Strukturen mit Auflösungen von über 200ym zeigt.

Dabei ist es beispielsweise möglich, dass die dickwandigen Strukturen während des Aufbaus der dünnwandigen feineren und bevorzugt innen liegenden Strukturen als Hilfsstrukturen dienen, so dass auch überhängende dünnwandige Strukturen ohne Hilfsstrukturen im SLM-Prozess herstellbar sind. Nach einer Ausführungsform des Bauteils liegen die dickwandigen groben Elemente quer zu den feinen dünnwandigen Elementen vor, soweit die Aufbaurichtung der Herstellung der Elemente erkennbar ist. Insbesondere können auch voluminöse Elemente aus feinen

Strukturen, die über SLM herstellbar sind, wie beispielsweise die Kühlstrukturen von Turbinenblättern oder Turbinenschaufeln als Basis oder Bodenplatte für die Aufbringung und Herstellung gröberer und dickwandigerer Elemente wie Gehäuse von Turbinenschaufel dienen, so dass an der Verbindung von inne ^¬ rer Kühlstruktur und äußerer Schale oder Gehäuse nachweisbar ist, wie das jeweilige Element per rapid prototyping aufge ^¬ bracht wurde . Schließlich kann ein Bauteil nach der Erfindung, dünnwandige und dickwandige, über generative Herstellungsmethoden erzeug ^¬ te Elemente umfassend mit gegossenen, gehämmerten, getriebe ^¬ nen, oder sonst wie herkömmlich produzierten Elementen zu einem Bauteil kombiniert werden.

In einem so erhältlichen Bauteil bilden sich zwei Vorzugsrichtungen aus, die durch die sich ausbildenden Körner und/oder Dendriten nachweisbar sind. Die Aufbaurichtung ist beispielsweise im Gefüge des Bauteils nachweisbar, weil die sich ausbildenden Körner und/oder Dendriten entlang eines

Temperaturgefälles wachsen. Insbesondere wachsen sie vom hei ^¬ ßen Laserspot aus in das kühlere Substratmaterial. Dies ist sowohl beim SLM als auch bei LMD der Fall. Es entstehen viel- fach sehr lange Körner und/oder Dendriten, die in ihrer

Längsstruktur erkennen lassen, wie das Bauteil aufgebaut wurde . Im Folgenden wird die Erfindung noch anhand beispielhafter

Ausführungsformen, die in den Figuren schematisch dargestellt sind, näher erläutert:

Figur 1 zeigt links oben ein Bauteil nach einer Ausführungs- form der Erfindung, das dünnwandige und dickwandige Struktu ^¬ ren hat und rechts unten den Aufbau eines solchen Bauteils, wobei zum einen die Aufbaurichtung der dünnwandigen Elemente, die vorzugsweise über einen SLM-Prozess herstellbar sind und zum zweiten die Aufbaurichtung der dickwandigen Elemente, die vorzugsweise im LMD-Prozess herstellbar sind, gezeigt werden.

Figur 1 zeigt einen Flügel 1 eines Rotors, der im Inneren Zellen 2 mit hochkomplexen und deshalb feinstrukturierten Kühlelementen hat. Diese inneren Zellen 2 umfassen beispiels- weise und bevorzugt komplexe Kühlkonstruktionen wie Kühlkanä ^¬ le, -spiralen, -schleifen, -gitterstrukturen, periodische und nicht periodische -raster, die in dünnwandigen dreidimensio ^¬ nalen Strukturen realisierbar sind. Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn diese dünnwandigen Strukturen Wandstärken von kleiner/gleich als 200 ym, insbesondere von kleiner als 150ym und insbesondere bevorzugt von kleiner als 100 mm auf ^¬ weisen .

Diese inneren Zellen 2 liegen in einem Gehäuse 3, das die nö- tige mechanische Stabilität für den Betrieb eines Rotorblat ^¬ tes zeigt. Das Gehäuse hat eine äußere Wand, die in dickeren Wandstärken realisiert ist, beispielsweise mit einer Wand ^¬ stärke im Millimeterbereich, insbesondere auch Wandstärken von ... bis.

In der Figur 2 ist ein Bauteil nach einer Ausführungsform der Erfindung im Detail gezeigt, wobei eine beispielhafte Lage der zumindest zwei Aufbaurichtungen 4, 5 der beiden Komponen- ten eines Bauteils nach der Erfindung zueinander, des dünnwandigen Elements 2 einerseits und des dickwandigen Elements 3 andererseits, gezeigt ist. Die beiden Aufbaurichtungen 4 des dünnwandigen Elements 2 und Aufbaurichtung 5 des dickwan- digen Elements 3 liegen hier senkrecht zueinander.

Neben dem in Figur 2 gezeigten Ausführungsbeispiel können die beiden Aufbaurichtungen 4 und 5 aber in anderen Ausführungsformen der Erfindung beliebige Winkel zueinander einschlie- ßen, da durch eine LMD-Vorrichtung beispielsweise um 5 Achsen und/oder per Roboter drehbar durch Materialauftrag auf eine Basisplatte ein komplettes dreidimensionales Element her ^¬ stellbar ist. In Figur 2 sind zwei essentielle Elemente des in Figur 1 ge ^¬ zeigten Rotorblattes dargestellt. Dabei wird der Blicke von außen auf die Gehäusewand 3 wiedergegeben. Die dünnwandigen Elemente 2 befinden sich hinter der Gehäusewand 3. Zu erkennen ist die Aufbaurichtung 4, beispielsweise der dünnwandigen Strukturen, wie der im SLM-Prozess hergestellten Kühlzellen und die Aufbaurichtung 5 einer dickwandigen

Struktur, beispielsweise der Gehäuseaußenwand 3 des Rotor ^¬ blattes 1 aus Figur 1, die mittels LMD-Verfahren herstellbar ist. Dieses dickwandige Element 3 wird beispielsweise in Auf- baurichtung 5 hergestellt, wobei als Basisplatte oder Grund ^¬ fläche ein Teil, beispielsweise eine Seitenwand, einer dünn ^¬ wandigen, im SLM-Verfahren hergestellten, dreidimensionalen Kühlelements 2 genutzt ist.

Das Gehäuse 3 ist entweder teilweise oder ganz im LMD-Verfah- ren herstellbar, es kann aber auch auf einem Sockel, der beispielsweise gegossen ist, eine LMD-Gehäuse aufgebaut werden, dass auch Bestandteile umfasst, die wiederum auf den dünnwan- digen Strukturen 2 aufgebaut sind.

Das Bauteil gemäß der Erfindung umfasst Elemente, die jeweils über verschiedene Herstellungsmethoden erhältlich sind, wobei die dünnwandigen Elemente zumindest zum Teil über SLM-Ver- fahren erhältlich sind und die dickwandigen Elemente zumindest zum Teil über LMD-Verfahren herstellbar sind. Weitere Elemente des Bauteils, die über herkömmliche und andere Her- stellungsverfahren können dabei das Bauteil vervollständigen.

Figur 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung wobei ein Bauteil in einem core-shell-Aufbau als Längs- Querschnitt gezeigt ist.

Eine innere Gitterstruktur mit Kühlelementen bereits in Flügel- oder Schaufelform für beispielsweise eine Gasturbinenschaufel, umfasst dünnwandige Elemente 6, die von einer Scha ^¬ le aus mechanisch stabileren, dickwandigen Elementen 7 umge- ben sind. Bei der in Figur 3 gezeigten Ausführungsform zeichnet sich die gezeigte Schaufel dadurch aus, dass um einen ge ^¬ gossenen Schaufelkern mit einer inneren Rotorblatt oder Turbinenschaufelform 8 im SLM-Verfahren dünnwandige komplexe und feine Kühlstrukturen 6 aufgebracht werden, die ihrerseits mittels LMD-Verfahren mit einer mechanisch stabilen Schale 7 umgeben sind.

Figur 4 schließlich zeigt den Aufbau aus Figur 3 im Querschnitt in der Vorderansicht. Man erkennt wieder den gegosse- nen Kern 8, beispielsweise als vorgefertigtes Element für ra ^¬ pid Prototyping, darum befinden sich dünnwandige feine Kühlstrukturen 6, die ihrerseits von einer LMD-gefertigten Schale 7 umgeben sind. Die Erfindung offenbart erstmals ein Bauteil mit komplexen feinen inneren dünnwandigen Elementen, das durch dickwandige Elemente Außenkonturen und mechanische Stabilität erhält, wo ^¬ bei die beiden Elemente des Bauteils durch generative Verfah ^¬ ren wie SLM und LMD herstellbar sind und sinnvollerweise auch noch durch vorgefertigte beispielsweise gegossene Teile er ^¬ gänzt werden.