Herstellungsverfahren mit additivem Herstellen eines Formkör pers, Herstellung einer Form und Wärmebehandlung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstel lung eines Bauteils, umfassend das additive Herstellen eines Formkörpers für das Bauteil und das Herstellen einer Form um den Formkörper herum, sowie eine anschließende Wärmebehand lung .

Das Bauteil ist vorzugsweise für den Einsatz in einer Strö mungsmaschine, vorzugsweise im Heißgaspfad einer Gasturbine, vorgesehen. Das Bauteil besteht vorzugsweise aus einer Super legierung, insbesondere einer nickel- oder kobaltbasierten, Superlegierung. Die Legierung kann ausscheidungsgehärtet, mischkristallgehärtet, oxiddispersionsgehärtet oder entspre chend härtbar sein.

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, thermomechanische Ermüdung) verbessert.

Die generative oder additive Fertigung wird aufgrund ihres Formgebungspotenzials zunehmend interessant auch für die Se rienherstellung der oben genannten Turbinenkomponenten, wie beispielsweise Turbinenschaufeln oder Brennerkomponenten .

Additive Herstellungsverfahren umfassen beispielsweise als Pulverbettverfahren (englisch: PBF „powder-bed-fusion" ) das selektive Laserschmelzen (SLM) oder Lasersintern (SLS), oder das Elektronenstrahlschmelzen (EBM) . Weitere additive Verfah ren sind beispielsweise „Directed Energy Deposition (DED) "- Verfahren, insbesondere Laserauftragschweißen, Elektronen- strahl-, oder Plasma-Pulverschweißen, Drahtschweißen, metal lischer Pulverspritzguss, sogenannte „sheet lamination"- Verfahren, oder thermische Spritzverfahren (VPS LPPS, GDCS) .

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

Additive Fertigungsverfahren (AM englisch: „additive manufac- turing") haben sich weiterhin als besonders vorteilhaft für komplexe oder filigran gestaltete Bauteile, beispielsweise umfassend labyrinthartige Strukturen oder Kühlstrukturen, er wiesen. Insbesondere ist die additive Fertigung durch eine besonders kurze Kette von Prozessschritten vorteilhaft, da ein Herstellungs- oder Fertigungsschritt eines Bauteils weit gehend auf Basis einer entsprechenden CAD-Datei und der Wahl entsprechender Fertigungsparameter erfolgen kann.

Metallische Bauteile, die mittels AM-Technologien hergestellt werden, zeigen verfahrensinhärent eine Gefügestruktur, die in ihrem Aufbau und ihrer Zusammensetzung einem schweißtechnisch erzeugten Werkstoff ähnelt oder gleicht. Durch die schnelle Erstarrung des Metalls beim Umschmelzen bei pulverbett basierten Prozessen entstehen Werkstoffe, deren Eigenschaften im Wesentlichen durch die Geschwindigkeit bei der Erstarrung dominiert werden. Abhängig beispielsweise von der Raster oder Scangeschwindigkeit und dem Strahldurchmesser können da bei Temperaturgradienten von 10 ⁵ K/s oder sogar 10 ⁶ K/s oder mehr auftreten. Die hierbei erzeugten Strukturen, Gefüge und Phasen sind weit von denjenigen eines jeweils entsprechenden chemischen-physikalischen Gleichgewichtszustandes entfernt. Daraus ergeben sich zahlreiche Anisotropien und Inhomogenitä ten in den chemischen oder kristallinen Eigenschaften und me chanisch technischen Kennwerten. Vergleiche zeigen, dass Werkstoffeigenschaften von additiv gefertigten Bauteilen zum Teil weit hinter den Eigenschaften von gusstechnisch herge stellten Bauteilen Zurückbleiben, was einen entscheidenden Nachteil bzw. eine entscheidende Anwendungsbeschränkung von AM-Bauteilen betrifft. Einhergehend mit den beschriebenen nachteiligen Eigenschaften tritt für manche Werkstoffe das aus der Schweißtechnik bekannte Problem der Heißrissanfällig keit auf, welches ebenfalls durch die hohen thermischen Gra dienten während des M-Prozesses hervorgerufen wird.

Um die genannten Probleme zu lösen, wird bereits versucht, die Werkstoffeigenschaften der Bauteile mittels (thermischer) Nachbehandlungen zu verbessern. Die genannten Eigenschaften oder Kennwerte können beispielsweise die Streckgrenze, die Zugfestigkeit, die Bruchdehnung, die Kerbschlagarbeit, die Härte, die Festigkeit oder weitere Aspekte umfassen.

Mit Wärmenachbehandlungen können Gefüge oder Strukturen, wie zum Beispiel Korngrößen und Ausscheidungen hervorgerufen, be einflusst und/oder optimiert werden. Damit lassen sich auch Verbesserungen beispielsweise der Kriechfestigkeit und der Dehnungswechselfestigkeit erreichen. Bei diesen thermischen Nachbehandlungen wird im Wesentlichen die Fähigkeit des je weiligen Werkstoffs ausgenutzt, seine Beschaffenheit durch Diffusionsprozesse so zu verändern, dass sich dessen Gefüge oder Beschaffenheit den jeweiligen Gleichgewichtszuständen annähert. Die Möglichkeiten dieser thermischen Verfahren en den jedoch spätestens mit Erreichen der niedrigsten eutekti schen Temperatur oder Solidustemperatur des jeweiligen Mate rials, insbesondere der betreffenden Phase oder Zusammenset zung. Beim Erreichen beziehungsweise Überschreiten dieser Temperatur wird der feste Werkstoff irreversibel durch loka les Anschmelzen geschädigt und/oder verliert seine Form. In der Praxis wird diese Grenze, beispielsweise bei Stählen, be reits bei ca. 80 % der jeweiligen Schmelztemperatur erreicht, da in diesem Bereich viele Werkstoffe ihre Festigkeiten so weit abgebaut haben, dass ihre Formstabilität verloren geht.

Schweißartige Gefügestrukturen lassen sich unter wirtschaft lichen Gesichtspunkten nicht ohne Überschreiten der Solidus temperatur aufbauen. Ursache dieser Einschränkung ist, dass die für das Erreichen und Gleichgewicht notwendigen Diffusi onswege und Diffusionszeiten zu lang für einen wirtschaftli- chen oder effizienten Herstellungsprozess sind. Daher errei chen mit additiven Technologien erzeugte Bauteile kaum die technisch geforderten mechanischen und/oder strukturellen Kennwerte .

Gemäß dem Stand der Technik werden daher viele hoch bean spruchte Bauteile gusstechnisch hergestellt. Die Eigenschaf ten gusstechnisch hergestellter Bauteile sind gegenüber schweißtechnisch erzeugten Bauteilen günstiger, weil die che mische Zusammensetzung, die sich bei der Gusserstarrung ein stellt, näher am jeweiligen Gleichgewichtszustand der ent sprechenden Legierung oder Phasen liegt.

Es besteht daher ein Bedarf, Formgebungsvorteile oder Gestal tungsfreiheitsgrade der additiven Fertigung oder Herstel lungstechnologie mit den günstigeren Werkstoffeigenschaften der Gusstechnik, beispielsweise Feinguss, zu kombinieren.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Mittel anzugeben, die die beschriebenen Aufgaben oder Probleme lö sen .

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 zum Herstellen eines Bauteils, umfassend das additive Her stellen eines Formkörpers oder einer Vorform für das Bauteil, vorzugsweise mittels, aber nicht beschränkt auf, pulverbett basierte Verfahren (PBF) wie dem selektiven Laserschmelzen, dem selektiven Lasersintern oder dem Elektronenstrahlschmel zen .

Das Verfahren umfasst weiterhin das Ausbilden von Steigern und/oder Speisern in oder an dem Formkörper. Unter dem Ausdruck „Steiger" wird vorzugsweise eine Entlüf tung, oder ein entsprechender Raum oder Hohlraum verstanden, in welchem sich das Material des Formkörpers bzw. des Bau teils - beispielsweise während eines nachträglichen Umschmel- zens oder Wärmebehandelns - ausdehnen bzw. in welchem es auf steigen kann.

Unter dem Ausdruck „Speiser" wird vorzugsweise ein Material depot verstanden, aus welchem Material für den Formkörper bzw. das Bauteil - beispielsweise während eines nachträgli chen Umschmelzens oder Wärmebehandelns - bereitgestellt wer den kann, um zu verhindern, dass es zu Defekten oder Poren durch Schrumpfprozesse kommt.

In einer Ausgestaltung umfasst das Verfahren das Ausbilden von Steigern oder mindestens einem Steiger.

In einer Ausgestaltung umfasst das Verfahren das Ausbilden von Speisern oder mindestens einem Speiser.

Das Verfahren umfasst weiterhin das Herstellen einer Form bzw. einer Formschale um den Formkörper herum, wobei die Form ausgebildet ist, den Formkörper für einen Umschmelz- oder Re kristallisationsprozess oder eine entsprechende Wärmebehand lung formstabil zu halten. Im Falle eines Umschmelzprozesses muss die Formschale eine Ausbildung aufweisen, die für die Formgebung einer flüssigen Phase geeignet ist. In anderen Fällen reicht eine Ausbildung, die die Formstabilität während einer, beispielsweise nachträglichen, Wärmebehandlung gewähr leistet. Zusätzlich kann die Form entsprechend dem Stand der Technik mit Kühlplatten und Isolierungen versehen werden.

In einer Ausgestaltung wird die Form ähnlich zu bekannten Guss- oder Formverfahren, insbesondere dem Wachsausschmelz verfahren, her- oder bereitgestellt. Folglich kann die Form schale in einem einzigen oder in mehreren Arbeitsgängen auf den Formkörper aufgetragen werden oder diesen ummanteln. Die Form kann weiterhin eine Grünform sein. In einer Ausgestaltung wird der Formkörper oder die Form wäh rend oder nach ihrer Herstellung gebrannt oder entsprechend wärmebehandelt. Dieses Brennen bzw. eine Wärmebehandlung zu diesem Zweck soll vorliegend klar von einer nachträglichen Wärmebehandlung, welche den Formkörper betrifft, unterschie den werden.

Das Verfahren umfasst weiterhin das Wärmebehandeln des Form körpers für das Bauteil in der Form, sodass zumindest teil weise eine Gefügeveränderung, insbesondere eine Rekristalli sation des Materials des Formkörpers, eine Diffusion bestimm ter Gefügebestandteile und/oder eine chemische oder stöchio metrische Veränderung, bewirkt wird.

Im Falle eines elementar metallischen bzw. nicht aus einer Legierung bestehenden Formkörpers, kann dieser für die be schriebene Gefügeveränderung sowohl einfach umgeschmolzen als auch lediglich lokal angeschmolzen werden. Im Falle lokalen Anschmelzens kann nach der oben beschriebenen Wärmebehand lung, insbesondere nach der Herstellung des Bauteils, eine weitere Wärmebehandlung (siehe unten) angewendet werden, um etwaige Strukturdefekte und/oder Porosität wieder zu heilen.

Falls der Formkörper aus einer Legierung hergestellt wird, kann lediglich örtliches oder lokales Anschmelzen das Gefüge zerstören („Incipient melting" beschreibt Korngrenzenschmel zen) . Dieses Phänomen kann beispielsweise nicht mit einer er neuten Wärmebehandlung und/oder heißisostatischem Pressen be hoben werden. Für den Fall, dass eine Schmelztemperatur des Materials des Formkörpers während der Wärmebehandlung über schritten wird, kann es erforderlich sein, dass im Design des Bauteils bzw. Formkörpers vorgesehene Hohlräume mit einem ge eigneten Material, beispielsweise einem Kern, ausgefüllt wer den, um diese Hohlräume freizuhalten.

Die Gefügeumwandlung erlaubt es, die Materialeigenschaften additiv gefertigter Strukturen vorteilhaft gussartigen Gefü- gen anzugleichen. Dabei werden die genannten Eigenschaften vorzugsweise denjenigen eines thermodynamischen oder statis tischen Gleichgewichts des Materials des Formkörpers angegli chen .

Obwohl der rein additive Fertigungsprozess mit der vorliegen den Erfindung durch das Herstellen der Form verkompliziert wird, ergeben sich dennoch entscheidende Vorteile für das be schriebene Verfahren sowie des damit herzustellenden Bau teils.

Gleichzeitig können jedoch durch die beschriebene Erfindung die Materialeigenschaften für mittels AM hergestellter Bau teile entscheidend verbessert werden und insbesondere die vorteilhaften Eigenschaften eines Gussgefüges emuliert wer den. Diese verbesserten oder günstigeren Material- oder

Struktureigenschaften erlauben zweckmäßigerweise eine weit höhere Belastbarkeit, beispielsweise thermische und/oder me chanische Belastung während des Betriebs des Bauteils und das Verhindern von Rissentstehung oder -propagation, von Struk turdefekten und Materialkriechen. In Summe können also die Vorteile beider Fertigungsansätze durch die vorliegende Er findung umgesetzt werden.

Das Verfahren umfasst weiterhin das nachträgliche Entfernen der Form und gegebenenfalls das Entfernen vorhandener Kerne bzw. kernähnlicher Mittel (siehe oben) . Das Entfernen kann vorteilhaft durch mechanisches Zerschlagen oder chemisches Auslaugen bzw. Ätzen erfolgen. Demgemäß kann die Form eine verlorene Form sein. Einhergehend mit dem Entfernen der Form können beispielsweise auch entsprechende Mittel zum Ausbilden der Steiger bzw. Speiser entfernt werden.

In einer Ausgestaltung wird das Bauteil durch die beschriebe nen Schritte bereits fertiggestellt. In einer alternativen Ausgestaltung erfordert die Herstellung des Bauteils weitere Schritte, beispielsweise Nachbehand lungsschritte, um dieses fertig zu stellen.

In einer Ausgestaltung wird die Form durch Außenoberflächen des Formkörpers definiert.

In einer Ausgestaltung erfolgt das Wärmebehandeln des Form körpers bei einer Temperatur, welche größer ist als eine eu tektische Temperatur bzw. eine, insbesondere niedrigste, So lidustemperatur des Materials des Formkörpers. Gemäß dieser Ausgestaltung des Verfahrens können, wie beschrieben, vor zugsweise gerade die erforderlichen Gefügeveränderungen, ins besondere umfassend Umschmelz- und/oder Rekristallisations prozesse provoziert oder durchgeführt werden. Wie oben ange deutet, ist dabei die Beteiligung einer vollständigen flüssi gen Schmelze nicht notwendigerweise erforderlich. Daher er fordert das Verfahren auch nicht notwendigerweise das Errei chen einer Schmelztemperatur des Materials des Formkörpers, sondern - beispielsweise im Falle von reinen Metallen - le diglich der eutektischen Temperatur bzw. Solidustemperatur .

Einem Fachmann ist bekannt, dass ein Überschreiten der Soli dustemperatur noch nicht notwendigerweise zum vollständigen Schmelzen des Bauteils führt, sondern beispielsweise ledig lich zum Verlust seiner Festigkeit oder Formfestigkeit.

In einer Ausgestaltung wird eine Position der Steiger

und/oder Speiser und des Formkörpers so gewählt, dass sich bei der Wärmebehandlung des Formkörpers im Wesentlichen keine Poren oder Lunker ausbilden und/oder etwaige Verunreinigungen oder Schlacken beim Schmelzprozess, insbesondere in einen Steiger verdrängt werden. Durch geeignete Maßnahmen, wie sie zum Stand der Gusstechnik bekannt sind, können durch die vor liegende Erfindung auch einkristalline bzw. gerichtet er starrte Gefüge hergestellt werden. Demgemäß kann die durch die vorliegende Erfindung erhaltene Bauteilstruktur ähnlich oder gleich einer durch einen Gussprozess erhaltenen, insbe- sondere einkristallinen, gerichtet erstarrten oder stängel kristallinen, Struktur sein. Beispielsweise können diese Ge füge analog zu dem sogenannten „Bridgeman-Verfahren" und oder mithilfe der Ausbildung einer einkristallinen Erstarrungs front und zweckmäßigen Keimdepots und Kornselektoren herge stellt werden.

In einer Ausgestaltung wird eine Ausbildung und/oder eine Po sition der Steiger bzw. Speiser an dem Formkörper berechnet, simuliert oder optimiert. Dies kann beispielsweise durch ein entsprechendes Computerprogramm oder Computerprogrammprodukt oder einen darin enthaltenen Algorithmus oder eine entspre chende Simulationsrechnung erreicht werden. Ohne entsprechen de Computerprogrammmittel oder eine entsprechende Rechenkapa zität kann eine bauteilgeometrieabhängige Anordnung und Aus bildung der Steiger bzw. Speiser möglicherweise zu aufwendig sein. Mit der genannten Ausbildung der Steiger und Speiser (siehe oben) kann vorzugsweise deren Größe, Beschaffenheit, Zusammensetzung und/oder Form gemeint sein.

Ein Computerprogrammprodukt, wie z.B. ein Computerpro

grammmittel, kann beispielsweise als Speichermedium, wie z.B. Speicherkarte, USB-Stick, CD-ROM, DVD, oder auch in Form ei ner herunterladbaren Datei von einem Server in einem Netzwerk bereitgestellt oder umfasst werden. Dies kann zum Beispiel in einem drahtlosen Kommunikationsnetzwerk durch die Übertragung einer entsprechenden Datei mit dem Computerprogrammprodukt oder dem Computerprogramm-Mittel erfolgen.

In einer Ausgestaltung wird ein Material oder Ausgangsmateri al für den Formkörper derart gewählt, dass chemische und/oder metallurgische Werkstoffveränderungen, welche während der Wärmebehandlung entstehen, hinsichtlich eines Zielgefüges des Bauteils, beispielsweise im Vorfeld, berücksichtigt oder aus geglichen werden. Die Wahl des Materials für den Formkörper kann ebenfalls durch eine entsprechend berechnete oder simu lierte Legierung oder Zusammensetzung computerimplementiert getroffen werden. In einer Ausgestaltung wird der Formkörper aus einem ersten Material hergestellt.

In einer Ausgestaltung wird der Formkörper aus einem Stahl oder einem Refraktärmetall oder einer Legierung, umfassend zumindest eines dieser Materialien aufgebaut. Alternativ kann das Material des Formkörpers ein anderes Metall oder eine an dere metallische Legierung umfassen.

In einer Ausgestaltung wird der Formkörper insbesondere seine Oberfläche, während des additiven Herstellens aus dem ersten Material gezielt mit, vorzugsweise lediglich einem einzigen Keimbildner und/oder einem Mangel an Keimbildnern versehen, um beispielsweise während der Wärmebehandlung gezielt oder vorbestimmt einen Keim zur Ausbildung einer bestimmten Kris tall- oder Kornstruktur für das Bauteil bereitzustellen bzw. eine Kristallisation oder Keimbildung für ein Kornwachstum entsprechend zu unterdrücken. Dies kann beispielsweise durch eine physikalische oder chemische Konditionierung, Beschich tung, Strukturierung oder Bearbeitung der Bauteiloberfläche geschehen .

In einer Ausgestaltung wird der wärmebehandelte Formkörper, beispielsweise durch eine weitere Wärmebehandlung und/oder heißisostatisches Pressen, nachbehandelt. Diese Nachbehand lung kann erforderlich sein, um das Bauteil mit ausreichender Strukturqualität fertig zu stellen, beispielsweise indem Ris se, Defekte oder Spannungen auf diese Weise ausgeheilt wer den .

In einer Ausgestaltung erfolgt das additive Herstellen oder Aufbauen des Formkörpers mittels selektiven Laserschmelzens . Alternativ kann die Herstellung beziehungsweise der Aufbau mittels Elektronenstrahlschmelzens oder anderer additiver Verfahren erfolgen. In einer Ausgestaltung werden mindestens das Herstellen und das Entfernen der Form analog zu einem Gussverfahren, insbe sondere einem Feinguss- oder Wachsausschmelzverfahren, durch geführt .

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Bauteil, welches mittels des beschriebenen Verfahrens her stellbar oder hergestellt ist. Das Bauteil umfasst weiterhin eine gussähnliche Gefügestruktur, beispielsweise eine kolum- nare, stängelkristalline, gerichtet erstarrte oder einkris talline Gefüge- oder Kristallstruktur oder eine polykristal line im Wesentlichen poren- und lunkerfreie Gefügestruktur. Wie oben angedeutet, gleicht, ähnelt oder entspricht diese Kristall- oder Gefügestruktur eher einem thermodynamischen oder chemischen Gleichgewichtszustand, als dies für die

Struktur des additiv aufgebauten Formkörpers ohne Wärmebe handlung der Fall wäre.

In einer Ausgestaltung ist das Bauteil für den Einsatz im Heißgaspfad einer Gasturbine vorgesehen.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, welche bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veran lassen, die Schritte des Auswählens, des Simulieren und/oder des Versehens des Formkörpers während des additiven Herstel lens mit Keimbildnern oder einem Mangel an Keimbildnern durchzuführen .

Ausgestaltungen, Merkmale und/oder Vorteile, die sich vorlie gend auf das Verfahren zur Herstellung des Bauteils beziehen, können ferner das Bauteil selbst oder das Computerprogramm produkt betreffen oder umgekehrt.

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 eine schematische Schnittansicht einer addi tiven Herstellungsanlage an;

Figur 2 zeigt ein vereinfachtes Flussdiagramm, welches Ver fahrensschritte der vorliegenden Erfindung andeutet;

Figur 3 deutet beispielhaft einen additiv hergestellten oder herstellbaren Formkörper an;

Figur 4 deutet an, dass der Formkörper mit einer Form verse hen wird;

Figur 5 deutet eine Wärmebehandlung des Formkörpers an;

Figur 6 deutet das Entfernen der Form an;

Figur 7 zeigt beispielhaft eine konkrete Ausgestaltung des

Formkörpers bzw. Bauteils, sowie Einzelheiten des beschriebenen Verfahrens;

Figur 8 zeigt eine zu der Figur 7 alternative Ansicht.

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. Entsprechend sind hier offenbarte funktionale Einzel heiten nicht einschränkend zu verstehen, sondern lediglich als anschauliche Grundlage, die dem Fachmann auf diesem tech- nischen Gebiet Anleitung bietet, um die vorliegende Erfindung auf vielfältige Weise einzusetzen.

Figur 1 zeigt eine additive Herstellungsanlage 100. Die Anla ge 100 ist vorzugsweise eine konventionelle Anlage zum Aufbau oder zur Herstellung von Bauteilen oder Komponenten mittels Pulverbett-Verfahren (PBF) . Zu diesen Verfahren zählen bei spielsweise das selektive Lasersintern, selektives Laser schmelzen oder Elektronenstrahlschmelzen. Die genannten Tech niken bedienen sich eines Pulverbettes aus einem Pulver oder Basismaterial, das selektiv und schichtweise mit einem Ener giestrahl 51, beispielsweise einem Laserstrahl, beaufschlagt, aufgeschmolzen und anschließend verfestigt wird. Eine ent sprechende Strahlquelle 50 kann beispielsweise durch eine Elektronenquelle oder einen Laser bereitgestellt werden. Die erste Schicht des Bauteils oder aufzubauenden Körpers wird, sobald sie mit Energie beaufschlagt wird, mit einer Substrat platte 1 verbunden („verschweißt") . Die weiteren Schichten werden ebenfalls stoffschlüssig mit jeweils darunterliegenden Schichten verbunden und entsprechend einer vorbestimmten Geo metrie, welche beispielsweise durch eine CAD-Datei vorgegeben wird, aufgebaut.

Ein Formkörper im Sinne der vorliegenden Erfindung kann wie unten näher beschrieben, über die Herstellungsanlage 100 ad ditiv her- oder bereitgestellt werden. Alternativ kann der Aufbau des Formkörpers durch andere, nicht pulverbettbasier te, Verfahren, beispielsweise „Directed Energy Deposition (DED) "-Verfahren, insbesondere Laserauftragschweißen, erfol gen. Weitere Möglichkeiten für die Herstellung des Formkör pers sind Elektronenstrahl-, oder Plasma-Pulverschweißen, Drahtschweißen, metallischer Pulverspritzguss, sogenannte „sheet lamination"-Verfahren, oder thermische Spritzverfahren (VPS LPPS , GDCS ) .

Nach der Bestrahlung einer jeden Schicht wird die Substrat platte 1 vorzugsweise um ein der Schichtdicke L entsprechen des Maß abgesenkt, sodass ein neuer Schichtauftrag erfolgen kann. Dieser erfolgt beispielsweise mittels einer Beschich tungseinrichtung 60. Eine Herstellungsoberfläche H befindet sich demgemäß vorzugsweise immer auf der gleichen vertikalen Höhe der Anlage 100. Die Herstellungsoberfläche H kann bei spielsweise durch frisches Pulver P gebildet sein oder auch durch bereits teilweise aufgeschmolzene Bereiche des Bauteils 10.

Bei dem Bauteil handelt es sich vorzugsweise um ein Bauteil, welches im Heißgaspfad einer Strömungsmaschine, beispielswei se einer Gasturbine eingesetzt wird. Insbesondere kann das Bauteil eine Lauf- oder Leitschaufei , ein Segment oder Ring segment, ein Brennerteil oder eine Brennerspitze, eine Zarge, eine Schirmung, ein Hitzeschild, eine Düse, Dichtung, einen Filter, eine Mündung oder Lanze, einen Resonator, Stempel o- der einen Wirbler bezeichnen, oder einen entsprechenden Über gang, Einsatz, oder ein entsprechendes Nachrüstteil.

Figur 2 deutet anhand des schematischen Flussdiagramms Ver fahrensschritte der vorliegenden Erfindung an. Das Verfahren betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, wie dem oben beschriebenen.

Das Verfahren umfasst, a) , das additive Herstellen eines Formkörpers 11 (wie oben beschrieben) für das Bauteil 10 aus einem Pulverbett P.

Das Verfahren umfasst weiterhin, b) , das Ausbilden von Stei gern 12 und/oder Speisern 13 in oder an dem Formkörper 11.

Das Verfahren umfasst weiterhin, c) , das Herstellen einer Form 30 um den Formkörper 11 herum, wobei die Form 30 ausge bildet ist, den Formkörper 11 für einen Umschmelz- oder Re kristallisationsprozess formstabil zu halten.

Das Verfahren umfasst weiterhin, d) , das Wärmebehandeln des Formkörpers 11 für das Bauteil 10 in der Form 30, so dass zu- mindest teilweise eine Gefügeveränderung bewirkt wird. Das Wärmebehandeln erfolgt vorzugsweise bei einer Temperatur T.

Das Verfahren umfasst weiterhin, e) , das Entfernen der Form 30, beispielsweise durch mechanisches Zerschlagen, vergleiche Figur 6 unten.

Das Verfahren kann weitere Verfahrensschritte, beispielsweise Fertigstellungsschritte umfassen, wie, f) , eine Nachbehand lung oder weitere Wärmebehandlung des bereits wärmebehandel ten Formkörpers 11 und/oder heißisostatisches Pressen. Nach oder im Zuge der Fertigstellung kann das beschriebene Verfah ren weiterhin eine Qualitätssicherung oder Qualitätskontrolle umfassen und beispielsweise optisch vermessen werden. Insbe sondere kann eine zerstörungsfreie Materialprüfung, metallo- graphische Analyse, Härtemessung und eine Ermittlung der me chanisch-technischen Kennwerte des Bauteils ermittelt, ausge wertet und zur Optimierung des Verfahrens herangezogen wer den .

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist weiterhin ein Com puterprogramm bzw. Computerprogrammprodukt (vergleiche Be zugszeichen CPP in Figur 2), welches insbesondere eingerich tet ist, zumindest einige der in Figur 2 beschriebenen Ver fahrensschritte vollständig oder teilweise durch Computerpro grammmittel auszuführen. Insbesondere kann das additive Her stellen des Formkörpers 11, vorzugsweise die Geometrie und Bestrahlungsstrategie des Formkörpers, und das Ausbilden der Steiger und/oder Speiser bzw. eine entsprechende Anordnung dieser Elemente in oder an dem Formkörper 11 mithilfe des Computerprogramms (Computerprogrammproduktes) durchgeführt werden .

Anhand der Figuren 3 bis 8 wird das vorgestellte Verfahren sowie ein dadurch erhaltenes, hergestelltes oder herstellba res Bauteil detailliert beschrieben. Teile der beschriebenen Verfahrenssequenz können ähnlich oder analog zu einem konven- tionellen Feingussverfahren, beispielsweise einem Wachsaus schmelzverfahren, ausgebildet sein.

Figur 3 zeigt insbesondere einen, beispielsweise wie oben be schrieben, aufgebauten Formkörper 11. Der Formkörper weist einen Hohlraum, eine Kavität oder einen Kanal 20 auf. Bei spielsweise kann der Formkörper eine fluidgekühlte oder ent sprechend mittels eines Fluids kühlbare Turbinenschaufel be zeichnen .

Der Formkörper weist weiterhin eine Außenoberfläche 14 auf.

Ebenfalls lediglich beispielhaft kann der Formkörper 11 wäh rend seiner additiven Herstellung gezielt mit einem Keimbild ner oder Keim K versehen werden, um beispielsweise während einer nachträglichen Wärmebehandlung zum Umschmelzen zwecks Einstellung des Gefüges, oder zu einer Veränderung des Gefü ges des Formkörpers (vergleiche Figur 4 weiter unten) eine Kristallisation oder ein Kornwachstum entsprechend einer be stimmten Phase und/oder Orientierung bereitzustellen oder zu provozieren. Eine nachträgliche Wärmebehandlung kann auch zum Ausheilen von etwaigen Defekten herangezogen werden.

Ebenso kann der Formkörper 11 bereits während der additiven Herstellung derart aufgebaut werden, dass sich beispielsweise ein Mangel an Keimen oder Keimbildnern einstellt und eine üb liche oder zu erwartende Kristallisation, Kristallorientie rung und/oder Phase unterdrückt wird.

In Figur 3 ist weiterhin beispielhaft dargestellt, dass - analog zu dem Bridgeman-Verfahren - ein spiralförmiger Korn oder Einkristallselektor GS bereits im Wege der additiven Herstellung des Formkörpers 11 vorgesehen werden kann. Es ist zu erwarten, dass sich beim additiven Aufbau einer Struktur zunächst ein polykristallines Gefüge ausbildet, dessen Körner oder Kristallorientierungen dann vorzugsweise über den Korn selektor GS, zumindest größtenteils, aussortiert werden kön nen. Der Kornselektor GS ist strukturell vorzugsweise über einen „Reduzierabschnitt" mit dem eigentlichen Formkörper 11 verbunden. Auf der dem Formkörper 11 abgewandten Seite des Kornselektors GS ist der oben beschriebene Keim K beispiel haft angedeutet, welcher vorzugsweise der Ausbildung einer ein- oder stängelkristalline Struktur des Bauteils dient.

Eine Position eines Keims bzw. Keimbildners bzw. eine genaue Ausgestaltung des beschriebenen Kornselektors GS kann eben falls computerimplementiert oder zumindest teilweise mittels eines Computerprogramms oder entsprechenden Produktes berech net, optimiert oder durchgeführt werden.

Figur 4 zeigt im Unterschied zu der Darstellung der Figur 3, dass erstens Steiger 12 und/oder Speiser 13 an dem Formkörper 11 ausgebildet wurden. Dies erfolgt zweckmäßigerweise an der Oberfläche 14 des Formkörpers 11, kann jedoch auch teilweise innerhalb des Formkörpers 11 erfolgen. Insbesondere wird eine Position der Steiger 12 und/oder Speiser 13 und des Formkör pers 11 so gewählt, dass sich bei der Wärmebehandlung im We sentlichen keine Poren oder Lunker ausbilden und etwaige Ver unreinigungen oder Schlacken beim Schmelzprozess verdrängt werden .

Durch oder mithilfe des beschriebenen Computerprogrammproduk tes wird beispielsweise eine Ausbildung und/oder eine Positi on der Steiger und/oder Speiser an dem Formkörper 11 simu liert. Dadurch können mit Vorteil (computerimplementiert) komplizierte Rechnungen zu der Geometrie der Steiger oder Entlüftungskanäle oder auch deren Position zweckmäßig und ge zielt auf die Bauteilgröße, deren Material und den Anwen dungsbereich abgestimmt durchgeführt werden. Gleiches gilt für die Ausbildung oder Anordnung der Speiser. Entsprechende manuelle Rechnungen wären ineffizient, wenn nicht gar unmög lich bzw. würden zu unzureichenden Ergebnissen führen.

Weiterhin ist in Figur 4 zu erkennen, dass eine Form 30 um den Formkörper 11 herum aufgebaut wurde, und diese Form ent sprechend durch Außenoberflächen 14 des Formkörpers 11 defi- niert ist. Die Form 30 kann in einem einzigen Arbeitsschritt oder auch in einer Vielzahl von Arbeitsgängen, beispielsweise durch Besanden oder Besprühen, entstehen. Der Formstoff der Form 30 kann flüssig oder fest sein und beispielsweise Ton, Keramik, Schlicker, Quarzsand, Zirkonsand, synthetische Bin der und weitere Materialien aufweisen. Die Form 30 kann wei terhin eine Grünform sein. Die Form 30 soll jedenfalls ausge bildet sein, den Formkörper für einen Umschmelz- oder Rekris tallisationsprozess (siehe unten) formstabil zu halten. Dafür oder für die Erzielung von weiteren Vorteilen kann die Form Kühlplatten, Isolierungen oder mechanische Versteifungen um fassen .

Durch den gekrümmten Pfeil rechts neben der Figur 4 und die Bezugssymbole T > T _e soll veranschaulicht werden, dass wei terhin nach dem optionalen Anbringen der Steiger 12 und/oder Speiser 13, eine Wärmebehandlung des Formkörpers 11 bei einer Temperatur T in der Form 30 erfolgt, die höher ist als eine eutektische Temperatur. Die Wärmebehandlung wird vorzugsweise derart durchgeführt bzw. die Temperatur T derart gewählt, dass zumindest teilweise eine Gefügeveränderung, beispiels weise eine Rekristallisation, eine chemische Veränderung, ei ne Diffusion die Festigkeit definierender Gefügebestandteile oder auch eine Umschmelzung bewirkt wird. Dabei muss nicht notwendigerweise ein Schmelzpunkt der entsprechenden Phase oder des Materials des Formkörpers 11 überschritten werden. Vielmehr ist vorzugsweise die Temperatur T größer als eine eutektische Temperatur T _e bzw. eine niedrigste Solidustempe- ratur eines Materials des Formkörpers 11 gewählt.

Vorzugsweise wird ein Material des oder für den Formkörper 11 derart gewählt, dass chemische und/oder metallurgische Werk stoffveränderungen, welche während der Wärmebehandlung ent stehen, hinsichtlich eines Zielgefüges des Bauteils 10 be rücksichtigt oder ausgeglichen werden. Die Wahl dieses Mate rials kann ebenfalls unterstützt durch ein Computerprogramm produkt oder eine entsprechende Berechnung oder Simulation erfolgen . In einer Ausgestaltung wird der Formkörper 11 aus einem Stahl oder einem Refraktärmetall oder einer Legierung, umfassend einen Stahl und/oder ein Refraktärmetall, aufgebaut.

Figur 5 zeigt vorzugsweise das Bauteil 10 nach seiner Wärme behandlung. Durch die doppelte Schraffur des Bauteils ist ei ne im Gegensatz zu dem Formkörper 11 veränderte Struktur bzw. ein entsprechend verändertes oder umgeschmolzenes Gefüge mit vorteilhaft veränderten Werkstoffeigenschaften, beispielswei se einer deutlich gesteigerten Härte, Heißrissresistenz, Kriechfestigkeit oder weiteren Eigenschaften, angedeutet. Ein entsprechend verbessertes Gefüge oder eine verbesserte Struk tur kann durch gängige Verfahren der spezifischen Element-, Struktur-, oder Materialanalyse, beispielsweise durch Rönt genfluoreszenzanalyse oder andere zerstörende oder nicht zer störende Untersuchungen festgestellt werden.

Nachdem das Bauteil, wie in Figur 6 angedeutet, beispielswei se durch Zerschlagen von seiner Form 30 befreit wurde und möglicherweise durch weitere Wärmenachbehandlungen oder Nach bearbeitungsschritten, wie heißisostatisches Pressen, fertig gestellt wurde, umfasst es vorzugsweise (im Gegensatz zur ad ditiv aufgebauten Struktur) eine gussähnliche Gefügestruktur, beispielsweise eine gerichtet erstarrte oder einkristalline Gefügestruktur oder eine polykristalline im Wesentlichen po- ren- und lunkerfreie Gefügestruktur.

Anhand der Figuren 7 und 8 werden Verfahrensschritte des be schriebenen Verfahrens sowie Aspekte des Bauteils anhand ei nes weiteren, zu den Darstellungen der Figuren 3 bis 6 alter nativen, Designs beschrieben.

Figur 7 zeigt einen Kühlkörper 11, dessen Funktion im Wesent lichen darin besteht, sich im Betrieb zur Kühlung einer wei teren Komponente zweckmäßig zu erwärmen. Der additiv aufge baute Kühlkörper 11 hat vorzugsweise trichterförmige Einlass öffnungen 20. Diese Öffnungen oder Kanäle können über einen nicht explizit gekennzeichneten Ringkanal, welcher das rota tionssymmetrische Bauteil im Betrieb umgeben kann, angeströmt werden, während sich der Kühlkörper 11 um seine Rotationsach se dreht. Die Einlassöffnungen können in Schnecken- oder he lixartigen Kühlkanälen münden, deren Aufgabe es ist, die Wär me des Bauteils an ein Fluid abzugeben, das dieses durch strömt

Wie oben angeführt, sind beispielhaft eine Mehrzahl von Spei sern 12 gezeigt, welche z.B. regelmäßig an einer Oberfläche 14 des Kühlkörpers 11 angeordnet sind, um, während der Wärme behandlung, ihren Zweck zu erfüllen.

Ein einzelner Steiger 12 ist ähnlich vereinfacht zentral an dem Formkörper in der Nähe der Rotationsachse angeordnet. Demgemäß kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass die Anzahl der Speiser 13 die Anzahl der Steiger 12 übersteigt. Dadurch können die Materialdepots fein über die Oberfläche 14 des Kühlkörpers 11 verteilt sein und somit zu einer möglichst homogenen Materialversorgung führen, wo hingegen als Steiger lediglich ein zentraler Punkt ausreicht.

Die in Figuren 7 und 8 gezeigten Kühlkanäle 20 müssen während der Wärmebehandlung unter Umständen mit einem Materialkern (vgl. Bezugszeichen 15) gefüllt werden, um im Design vorgese hene Hohlräume zu definieren, da die Hohlräume sonst mit Formkörpermaterial gefüllt bzw. verdrängt werden könnten und/oder das Bauteil seine Formstabilität und/oder Funktion verlieren könnte. Dies kann insbesondere Eintreten, wenn die Schmelztemperatur des Materials des Formkörpers während der Wärmebehandlung überschritten wird.

Figur 8 ist eine zur Figur 7 ähnliche Darstellung, wobei der Kühlkörper 11 jedoch gedreht und perspektivisch abgebildet ist. Es ist zu erkennen, dass die Kanäle 20 an der unteren Seite des Bauteils Auslässe (nicht explizit durch Bezugszei chen gekennzeichnet) aufweisen. Weiterhin ist zu erkennen, dass Speiser 13 auch an einer Man telfläche des Kühlkörpers 11 angeordnet sind, sowie dass der Formkörper 11 bzw. das Bauteil 10 ringförmig ausgestaltet ist .

Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt, sondern umfasst jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen. Dies beinhaltet insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombi nation selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.