Verfahren zur Herstellung eines Bauteils und Vorrichtung Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstel ^¬ lung einer Komponente oder eines Bauteils für eine Strömungs ^¬ maschine. Weiterhin umfasst die vorliegende Erfindung das Bauteil und eine Vorrichtung zur Herstellung des Bauteils. Bei dem Bauteil kann es sich um die Turbinenscheibe handeln. Der Begriff „Turbinenscheibe" ist vorliegend synonym mit Tur ^¬ binenring oder Rotorscheibe zu verstehen. Das Bauteil kann weiterhin ein Rotorteil oder ein Teil eines Kompressors oder Verdichters einer Gasturbine sein. Weiterhin handelt es sich bei dem Bauteil vorzugsweise um ein additiv oder generativ hergestelltes oder aufgebautes Bauteil.

Bekannte schichtweise, additive oder generative Herstellungs ^¬ verfahren sind insbesondere das selektive Laserschmelzen (SLM: englisch für „selective laser melting") , selektive Lasersintern (SLS: englisch für „selective laser sintering") und das Elektronenstrahlschmelzen (EBM: englisch für

„electron beam melting") . Additive Fertigungsverfahren werden durch ihr iteratives Auf- oder Aneinanderfügen von Lagen, Schicht- oder Volumenelementen, beispielsweise aus einem Pul ^¬ verbett, zur Herstellung dreidimensionaler individuell geformter Bauteile. Typische Schichtdicken der einzelnen Lagenliegen zwischen 20 ym und 60 ym. Als Ausgangsmaterialien steht eine Vielzahl unterschiedlicher Werkstoffe, beispielsweise keramische und/oder metallische Werkstoffe, zur Verfügung, die sowohl in Pulver- oder

Granulatform, aber auch in Form von Fluiden bspw. als Suspensionen, vorliegen können. Bei generativen Herstellungsverfah- ren, wird der dreidimensionale Gegenstand durch eine Vielzahl einzelner Materialschichten, die auf einer absenkbaren Bauplattform nacheinander abgeschieden und anschließend einzeln einem lokal selektiven Verfestigungsprozess unterzogen werden, gebildet.

Ein Verfahren zum selektiven Laserschmelzen ist beispielswei- se bekannt aus EP 1 355 760 Bl .

Turbinenteile sind während ihres Einsatzes oder Betriebs be ^¬ sonders hohen thermischen und/oder mechanischen Belastungen ausgesetzt. Dabei können thermische und mechanische Belastun- gen einer Gasturbine oder seiner Rotorteile während des Be ^¬ triebs zusammenhängen, beispielsweise in Form von thermo- mechanischen Spannungen.

Neben der Entwicklung von immer temperaturresistenten Werk- Stoffen besteht daher auch ein Bedarf an Materialien, beispielsweise Verbundwerkstoffen, welche verbesserte mechani ^¬ sche Eigenschaften aufweisen. Während in thermisch hochbelasteten Bereichen einer Turbine, beispielsweise mit Temperatu ^¬ ren oberhalb von 600 °C, eine hohe Festigkeit der Materialien gefordert wird, wird insbesondere in inneren Bereichen oder inneren Teilen der Turbine, des Kompressors oder einer ent ^¬ sprechenden Rotorscheibe eine hohe Zähigkeit gefordert.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Mittel anzugeben, die die mechanischen Eigenschaften, insbesondere von rotierbaren Turbinenteilen verbessern und/oder den Betrieb der Turbine zuverlässiger und/oder effizienter zu machen . Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen An ^¬ sprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.

Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils für eine Strömungsmaschine, beispielsweise eine Gasturbine, wie eine Rotorscheibe für ei ^¬ ne Gasturbine, umfassend das additive Aufbauen des Bauteils mittels eines additiven Herstellungsverfahrens. Insbesondere wird das Bauteil für das additive Aufbauen aus einem Matrix ^¬ oder Basismaterial, vorzugsweise einem pulverförmigen Basis ^¬ material, für das Bauteil aufgebaut. Das genannte Material kann ein nickelbasiertes, ein kobaltbasiertes oder ein eisen- basiertes Material sein.

Das Verfahren umfasst weiterhin das Einbringen von Materialfasern in einen Aufbau für das Bauteil während des additiven Aufbauens derart, dass die Materialfasern entlang oder im We- sentlichen entlang einer Umfangsrichtung des Bauteils, vorzugsweise um eine Bauteilachse herum, ausgerichtet sind und derart, dass ein Faserverbundmaterial entsteht, zweckmäßiger ^¬ weise umfassend die Materialfasern und ein durch das additive Aufbauen verfestigtes Basismaterial, wobei die Materialfasern weiterhin Keramik, insbesondere aus Aluminiumoxid, Mullit, SiBCN, SiCN oder SiC umfassen.

In einer Ausgestaltung ist das Bauteil ein rotierbares und insbesondere im Betrieb der Strömungsmaschine rotierendes Teil.

In einer Ausgestaltung ist das Bauteil ein rotationssymmetrisches oder im Wesentlichen rotationssymmetrisches Teil der oder für die Strömungsmaschine.

Die Umfangsrichtung bezeichnet vorliegend vorzugsweise eine Richtung, welche einer Rotation- oder Umlaufrichtung des Bauteils in seinem Betrieb, vorzugsweise in seinem Einsatz in der Strömungsmaschine entspricht. Die Umfangsrichtung kann eine Tangentialrichtung sein.

Die Umfangsrichtung kann insbesondere einen Umfang der Bauteilachse beschreiben oder zumindest teilweise eine geometri ^¬ sche Richtungskomponente entlang des Umfangs des Bauteils um- fassen.

Der Begriff „Aufbau" kann das Bauteil an sich bezeichnen. Insbesondere kann damit ein lediglich teilweise (additiv) hergestellter Teil des Bauteils gemeint sein, beispielsweise zu einem Zeitpunkt während einer additiven Herstellung und in einer entsprechenden Anlage oder Vorrichtung zur additiven Herstellung .

Die Materialfasern können hauptsächlich oder überwiegend in oder entlang der Umfangsrichtung ausgerichtet sein oder werden. Beispielsweise können die Materialfasern abgesehen von notwendigen Windungen oder herstellungsbedingten Abweichungen von der Umfangsrichtung entlang dieser Richtung ausgerichtet sein und/oder in den Aufbau eingebracht werden. Jedoch müssen die Materialfasern nicht zwingend konzentrisch zu dem Bauteil oder anderen Fasern ausgerichtet sein oder werden. Durch das beschriebene Verfahren kann mit besonderem Vorteil ein Faserverbundmaterial bzw. ein Faserverbundwerkstoff zu ^¬ mindest teilweise additiv hergestellt oder aufgebaut, oder die entsprechende Herstellung in einen additiven Fertigungs- prozess implementiert werden. Insbesondere können die bekann- ten Vorteile von Faserverbundwerkstoffen gemäß dem beschriebenen Verfahren für die Herstellung und den Einsatz insbesondere als Rotorteil einer Gasturbine, beispielsweise einer Kompressorscheibe genutzt werden. Beispielsweise kann eine Kriechbeständigkeit oder die Beständigkeit gegen eine Zugbe- lastung des Bauteils senkrecht zur Faserrichtung durch den Einsatz von Faserverbundwerkstoffen verbessert werden.

Gleichzeitig können dabei synergisch ebenfalls die Vorteile additiver Herstellungstechnologie genutzt werden.

In einer Ausgestaltung ist das additive Herstellungsverfahren ein pulverbett-basiertes additives Herstellungsverfahren.

In einer Ausgestaltung ist das additive Herstellungsverfahren ein Strahlschmelzverfahren. In einer Ausgestaltung ist das additive Herstellungsverfahren selektives Laserschmelzen, selektives Lasersintern, Elektro ^¬ nenstrahlschmelzen oder Laserauftragschweißen. In einer Ausgestaltung werden die Materialfasern durch eine robotergeführte oder robotergeführte Einrichtung in den Auf ^¬ bau für das Bauteil eingebracht.

In einer Ausgestaltung werden die Materialfasern, beispiels- weise entlang einer Aufbaurichtung des Bauteils betrachtet, lediglich in einem, insbesondere zentralen, radialen Bereich des Bauteils und vorzugsweise nicht über die gesamte radiale Ausdehnung hinweg angeordnet oder eingebracht. Insbesondere kann es sich bei diesem Bereich um einen radialen „Taillenbe- reich" des Bauteils handeln, welcher im Betrieb des Bauteils besonders hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt ist.

In einer Ausgestaltung werden die Materialfasern während des additiven Aufbaus miteinander verwoben.

In einer Ausgestaltung wird das Basismaterial zumindest teil ^¬ weise zwischen den Materialfasern angeordnet.

In einer Ausgestaltung werden die Materialfasern vor dem Ein- bringen mit einer Beschichtung versehen.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Bauteil für eine Strömungsmaschine, wobei das Bauteil durch das beschriebene Verfahren hergestellt oder herstellbar ist.

In einer Ausgestaltung ist das Bauteil ein Rotorteil einer Strömungsmaschine, beispielsweise einer Gasturbine.

In einer Ausgestaltung ist das Bauteil eine Turbinenscheibe, welche zum Halten eines rotierbaren Teils einer Strömungsma ^¬ schine im Betrieb ausgebildet ist. Bei dem rotierbaren Teil kann es sich beispielsweise um einer Kompressorschaufel han ^¬ deln . Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Turbinenscheibe für eine Strömungsmaschine umfassend, bei ^¬ spielsweise in einen radialen Bereich, insbesondere einem zentralen oder mittleren radialen Bereich und ein Faserverbundmaterial, wie oben beschrieben. Das Faserverbundmaterial umfasst weiterhin die Materialfasern und ein Matrixmaterial, wobei die Materialfasern entlang einer Umfangsrichtung der Turbinenscheibe ausgerichtet sind und wobei die Materialfa- sern weiterhin Keramik, insbesondere aus Aluminiumoxid, Mullit, SiBCN, SiCN oder SiC umfassen.

Das Matrixmaterial des Faserverbundmaterials bezeichnet vor ^¬ zugsweise ein - während der oder durch die additive Herstel- lung verfestigtes - Basismaterial.

In einer Ausgestaltung umfassen die Materialfasern eines oder mehrere der folgenden Materialien: Kohlenstoff, Bor, Basalt und/oder Keramik, insbesondere aus Aluminiumoxid, Mullit, SiBCN, SiCN und SiC.

In einer Ausgestaltung umfasst das Faserverbundmaterial und/oder die Materialfasern Kohlenstoff (C) , Siliziumcarbid (SiC) und/oder Aluminiumoxid, beispielsweise AI ₂ O ₃ . Das Fa- serverbundmaterial und/oder die Materialfasern können die ge ^¬ nannten Materialien beispielsweise als Hauptbestandteil um ^¬ fassen .

In einer Ausgestaltung umfasst das Matrix- und/oder Basisma- terial, Kohlenstoff, Siliziumcarbid und/oder Aluminiumoxid.

Das Matrix- und/oder Basismaterial kann die genannten Materialien beispielsweise als Hauptbestandteil umfassen.

In einer Ausgestaltung umfasst die Beschichtung der Material- fasern insbesondere Kohlenstoff und/oder Bornitrid (BN).

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils für eine Strö- mungsmaschine, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, das Bauteil additiv aus einem, beispielsweise pulverförmigen, Basismaterial aufzubauen. Die Vorrichtung umfasst weiterhin eine Einrichtung zum Einbringen von Materialfasern in den Auf- bau für das Bauteil derart, dass die Materialfasern entlang der Umfangsrichtung des Bauteils ausgerichtet sind und der ^¬ art, dass das Faserverbundmaterial entsteht. Das Faserver ^¬ bundmaterial umfasst zweckmäßigerweise - wie oben beschrieben die Materialfasern und das verfestigte Basismaterial.

Ausgestaltungen, Merkmale und/oder Vorteile, die sich vorliegend auf das Verfahren beziehen, können sich ferner die Vorrichtung und/oder das Bauteil betreffen, und umgekehrt.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben.

Figur 1 zeigt schematisch eine Aufsicht auf eine Vorrichtung zur additiven Herstellung eines Bauteils für eine Strömungsmaschine .

Figur 2 zeigt schematisch eine Schnitt- oder Seitenansicht einer Vorrichtung zur additiven Herstellung eines Bauteils für eine Strömungsmaschine.

Figur 3 zeigt schematisch einen Querschnitt durch eine Turbi ^¬ nenscheibe .

Figur 1 zeigt schematisch eine Aufsicht auf eine Vorrichtung 10. Die Vorrichtung 10 ist eine Vorrichtung zur additiven

Herstellung eines Bauteils 1. Die Vorrichtung 10 ist vorzugs ^¬ weise eine Vorrichtung zum schichtweisen Aufbau eines Bauteils aus einem Pulverbett, beispielsweise eine Vorrichtung zum selektiven Laserschmelzen, wie in Figur 1 dargestellt. Alternativ kann es sich bei der Vorrichtung 10 um eine Vorrichtung zum selektiven Lasersintern und/oder zum Elektronenstrahlschmelzen handeln. Anhand der Vorrichtung 10 und der Figuren 1 und 2 wird ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung des Bauteils 1 beschrieben . Das Bauteil 1 ist insbesondere ein Rotorteil einer Strömungs ^¬ maschine, wie einer Gasturbine. Vorzugsweise bezeichnet das Bauteil 1 eine Turbinenscheibe, einen Turbinenring oder eine Rotorscheibe eines Kompressors der Turbine.

Die Vorrichtung 10 weist eine Bauplattform 8 (vgl. Figur 2) auf, auf der ein, vorzugsweise pulverförmiges , Ausgangs- oder Basismaterial 2 für das Bauteil 1 angeordnet ist. Das Basis ^¬ material 2 kann beispielsweise ein nickelbasiertes, ein ko ^¬ baltbasiertes oder ein eisenbasiertes Material sein.

Auf der Bauplattform 8 ist ein Aufbau des Bauteils gezeigt. Insbesondere kann es sich dabei um ein teilweise aufgebautes Bauteil und/oder um das Bauteil während seiner additiven Herstellung handeln. Das Bauteil 1 ist zweckmäßigerweise rotati ^¬ onssymmetrisch oder im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgestaltet. Als Rotorteil einer Strömungsmaschine oder eines Kompressors derselben ist das Bauteil ferner vorzugsweise rotierbar, bspw. relativ zu Statorkomponenten der Strömungsmaschine. Vorzugsweise rotiert das Bauteil während des be ^¬ stimmungsgemäßen Betriebs der Turbine.

Für den additiven Aufbau weist die Vorrichtung 10 eine Verfestigungseinrichtung 9 auf. Dabei kann es sich um eine Verfestigungseinrichtung des Standes der Technik handeln. Vor- zugsweise ist die Verfestigungseinrichtung 9 eine computerge ^¬ steuerte oder -steuerbare Einheit, welche zum Verfestigen des Basismaterials 2 mit einem Laser oder einer Elektronenstrahl- einrichtung (nicht explizit gekennzeichnet) ausgerüstet ist. Für das Verfestigen wird das Basismaterial 2 vorzugsweise zu- nächst aufgeschmolzen und anschließend erstarrt.

Zur Aufbringung des Basismaterials 2 weist die Vorrichtung 10 eine Beschichtungs- oder Auftragungseinrichtung 7 auf. Dabei kann es sich um eine Rakel handelt, mit welcher das, vorzugs ^¬ weise pulverförmige, Basismaterial 2 auf der Bauplattform 8 verteilt oder aufgetragen werden kann. Dies kann beispielsweise entlang einer Beschichtungsrichtung B erfolgen.

Als erfindungsgemäßes Element weist die Vorrichtung 10 wei ^¬ terhin eine Einrichtung 5 auf. Die Einrichtung 5 ist ausgebildet, Materialfasern 3 in den additiven Aufbau für das Bauteil 1 einzubringen, und zwar derart, dass die Materialfasern 3 zumindest im Wesentlichen entlang einer mit dem Bezugszeichen A bezeichneten Umfangsrichtung oder Rotationsrichtung des Bauteils 1 im Betrieb ausgerichtet sind.

Die gestrichelten (konzentrischen) Kreise, welche innerhalb des Bauteils 1 in Figur 1 gezeigt sind, deuten vorzugsweise einen Bereich an in dem die Materialfasern 3 angeordnet und/oder eingebracht werden. Lediglich abschnittsweise sind ebenfalls die Materialfasern dargestellt. Anhand der gezeig ^¬ ten Abschnitte ist zu erkennen, dass die Richtung der Orien- tierung oder Ausrichtung der Umfangsrichtung A entspricht.

Die Einrichtung 5 ist vorzugsweise weiterhin derart ausgebil ^¬ det, dass, durch das Einbringen der Materialfasern 3, ein Faserverbundmaterial 4 entsteht, umfassend die Materialfasern 3 und ein verfestigtes Basismaterial oder Matrixmaterial (die ^¬ ses ist der Einfachheit halber ebenso wie das Basismaterial mit dem Bezugszeichen 2 bezeichnet) . Das Faserverbundmaterial 4 kann durch die Materialfasern 3 und das Matrixmaterial ge ^¬ bildet werden.

Die Einrichtung 5 ist vorzugsweise robotergesteuert. Wie in Figur 1 dargestellt kann die Einrichtung 5 einen Roboterarm umfassen welcher in der Abbildung lediglich schematisch angedeutet ist. Dieser Roboterarm ist beispielsweise derart über den Herstellungsraum oder die Bauplattform 8 bzw. das Bauteil 1 schwenkbar, dass die Materialfasern 3 während des additiven Aufbauens des Basismaterials in das Bauteil wie oben be ^¬ schrieben „eingebaut" werden können. Der genannte Roboterarm kann weiterhin beispielsweise teleskopartig verlängerbar aus ^¬ gestaltet sein.

Im Rahmen des vorliegenden Verfahrens werden die Materialfa- sern 3 - mithilfe der Einrichtung 5 - vorzugsweise während des additiven Aufbaus oder der additiven Herstellung des Bauteils 1 in den Aufbau eingebracht, so dass das Faserverbund ^¬ material 4 entsteht und die die Fasern ebenso wie oben be ^¬ schrieben ausgerichtet werden. Pro additiv aufgebauter und/oder verfestigter Lage von Basismaterial kann eine Faserlage (vergleiche Figur 1) eingebracht werden. Dies geschieht vorzugsweise bevor das Basismaterial 2 mittels der Beschich- tungseinrichtung 7 aufgetragen oder verteilt wird, sodass eine entsprechende Schicht für das Faserverbundmaterial gebil- det oder hergestellt werden kann. Vorzugsweise wird das Ba ^¬ sismaterial 2 derart aufgetragen und/oder werden die Materialfasern derart eingebracht, dass zwischen den Materialfasern 3 zumindest teilweise Basismaterial 2 angeordnet ist. Insbesondere können die Materialfasern 3 auch miteinander verwoben werden.

Es ist im Rahmen des beschriebenen Verfahrens auch vorgese ^¬ hen, dass die Materialfasern, beispielsweise vor dem Einbrin- gen in den Aufbau durch die Einrichtung 5, mit einer Be- schichtung (nicht explizit gekennzeichnet) versehen oder be ^¬ schichtet werden. Bei der Beschichtung kann es sich um eine Gleit- oder Schmierbeschichtung handelt, insbesondere um eine Gleitbewegung der Materialfasern 3 relativ zu dem Matrixmate- rial 2 zu ermöglichen, welche wiederum die besonderen mechanischen Eigenschaften des Faserverbundmaterials 4 bewirkt.

Figur 2 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Vorrich ^¬ tung 10. Mit dem Bezugszeichen C ist eine Aufbaurichtung be- zeichnet. Als Alternative zu der Ausgestaltung der Vorrich ^¬ tung aus Figur 1 kann - wie in Figur 2 gezeigt - die Vorrichtung 10 beispielsweise ebenfalls eine Vorrichtung zum

Laserauftragschweißen, insbesondere Laserpulverauftragschweißen, sein. Dementsprechend umfasst die Verfestigungseinrichtung 9 hier vorzugsweise sowohl einen Laser (nicht explizit gekennzeichnet) zum Verfestigen des Ba ^¬ sismaterials 2 als auch eine Pulverdüse (nicht explizit ge- kennzeichnet) mit der das Basismaterial 2 bereitgestellt wird .

Figur 3 zeigt in einem vereinfachten Querschnitt ein fertig hergestelltes Bauteil 1. Das Bauteil 1 weist einen - im Ver- gleich zu den übrigen Abschnitten verschmälerten und/oder taillierten zentralen, oder inneren radialen Bereich 6 auf. In diesem Bereich können im Betrieb des Bauteils 1 besonders hohe mechanische Belastungen auftreten. Ein oberer, nicht gekennzeichneter, sich verbreiternder Bereich der Turbinen- Scheibe 1 ist insbesondere vorgesehen sowohl um Turbinenschaufeln beispielsweise im Betrieb einer Gasturbine an Ort und Stelle zu halten, als auch die Turbinenschaufeln, vorzugsweise durch axiales Ein- oder Ausschieben in die bzw. aus den gebildeten Hohlräume, austauschbar zu machen.

Der zentrale Bereich 6 umfasst das beschriebene Faserverbund ^¬ material 4. Der zentrale Bereich 6 kann aus dem Faserverbund ^¬ material 4 bestehen. Insbesondere sind in der

Querschnittsdarstellung der Figur 4 in dem Bereich 6 die Ma- terialfasern 3 kreisförmig dargestellt. Das Faserverbundmate ^¬ rial 4 und/oder das damit versehene Bauteil weist insbesonde ^¬ re - im Vergleich zu einer Turbinenscheibe des Standes der Technik - verbesserte mechanische Eigenschaften, insbesondere eine höhere Bruchdehnung oder Bruchdehn-Belastbarkeit, bspw. um bis zu einem Prozent, auf. Ebenso hat das mit dem be ^¬ schriebenen Verfahren hergestellte, erfindungsgemäße Bauteil 1 vorzugsweise einen signifikant erhöhten Risswiderstand, ei ^¬ ne verbesserte Thermoschockbeständigkeit , als auch beispiels ^¬ weise verbesserte thermomechanische Eigenschaften.

Weiterhin kann eine Dehnbarkeit oder Dehn-Belastbarkeit des Bauteils 1 relativ zu einem herkömmlichen Rotorteil einer Turbine um 2 % erhöht sein. Das Faserverbundmaterial 4 kann - durch die Vorgabe der Fa ^¬ serrichtungen - anisotrope und insbesondere dennoch verbes ^¬ serte mechanische Eigenschaften aufweisen.

Bei dem Bauteil 1 kann es sich insbesondere um eine Rotor ^¬ scheibe eines Kompressors oder einer Kompressorstufe einer Gasturbine (vorzugsweise in Strömungsrichtung betrachtet vor der Brennkammer der Turbine) handeln. Insbesondere kann das Bauteil 1 eine Kompressor-Rotorscheibe der Materialklasse „26NiCrMoV 14-5" oder „Cost-E (X 1 2CrMoWVNbN 10-1-1)" sein.

Die beschriebenen Materialfasern 3 können weiterhin eines oder mehrere der folgenden Materialien umfassen: Kohlenstoff, Bor, Basalt und/oder Keramik, insbesondere Aluminiumoxid, beispielsweise A1 ₂ 0 ₃ , Mullit, SiBCN, SiCN und SiC.

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 Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.