HINTERGRUND DER ERFINDUNG

GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Herstellung von Bauteilen durch ein generatives Herstellungsverfahren, insbesondere ein Verfahren mittels selektiven Bestrahlens eines Pulverbetts.

STAND DER TECHNIK

Aus dem Stand der Technik sind generative Herstellungsverfahren zur schnellen Herstellung von Prototypen oder zur Herstellung von Bauteilen, die mit anderen Verfahren schwierig herzustellen sind, bekannt. Unter anderem werden hierfür Verfahren wie das selektive Laserschmelzen (SLM Selective Laser Melting), das direkte Metalllasersintern (DMLS Direct Metal Laser Sintering) oder Elektronenstrahlenver- fahren eingesetzt. Aus dem Stand der Technik sind insbesondere auch generative Herstellverfahren für die Herstellung von Bauteilen einer Strömungsmaschine, wie beispielsweise von Bauteilen eines Flugtriebwerks oder einer Gasturbine bekannt, z.B. das in der DE 10 2009 051 479 A1 beschriebene Verfahren bzw. eine entsprechende Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils einer Strömungsmaschine.

Bei diesem Verfahren wird durch schichtweisen Auftrag von mindestens einem pulverförmigen Bauteil- werkstoff auf einer Bauteilplattform im Bereich einer Aufbau- und Fügezone sowie schichtweises und lokales Schmelzen oder Sintern des Bauteilwerkstoffs mittels im Bereich der Aufbau- und Fügezone zugeführter Energie ein entsprechendes Bauteil hergestellt. Die Zufuhr der Energie erfolgt hierbei über Laserstrahlen, wie beispielsweise C0 ₂ -Laser, Nd:YAG-Laser, Yb-Faserlaser sowie Diodenlaser, oder durch Elektronenstrahlen. Bei dem in der DE 10 2009 051 479 A1 beschriebenen Verfahren wird weiterhin das erzeugte Bauteil bzw. die Aufbau- und Fügezone auf eine Temperatur knapp unterhalb des Schmelzpunkts des Bauteilwerkstoffs mittels eines Zonenofens erwärmt, um eine gerichtet erstarrte oder einkristalline Kristallstruktur aufrechtzuerhalten.

Aus der DE 10 2006 058 949 A1 ist ebenfalls eine Vorrichtung und ein Verfahren zur schnellen Herstellung und Reparatur von Schaufelspitzen von Schaufeln einer Gasturbine, insbesondere eines Flugtriebwerks bekannt, wobei eine induktive Heizung zusammen mit Laser- oder Elektronenstrahlsintern eingesetzt wird.

Eine induktive Heizung des herzustellenden Bauteils im Zusammenhang mit der generativen Herstellung eines Bauteils mit Hilfe von selektivem Laserschmelzen ist auch in der EP 2 359 964 A1 beschrieben. Die WO 2008/071 165 A1 beschreibt wiederum eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Reparatur von Turbinenschaufeln von Gasturbinen mittels Pulverauftragsschweißen, wobei für die Auftragsschweißung eine Strahlungsquelle, wie ein Laser oder ein Elektronenstrahl, Verwendung findet. Zugleich wird über eine Induktionsspule eine Heizvorrichtung zur Beheizung der zu reparierenden Schaufel bereitgestellt.

Obwohl aus dem Stand der Technik somit bekannt ist, bei einem generativen Herstellverfahren, bei welchem Pulverpartikel mittels Bestrahlung zur Bildung eines Bauteils geschmolzen oder gesintert werden, zusätzlich eine Beheizung des Bauteils vorzusehen und diese zusätzliche Beheizung mittels induktiver Erwärmung zu realisieren, bestehen weiterhin Probleme derartige generative Herstellungsverfahren für Hochtemperaturlegierungen einzusetzen, die nicht schmelz- bzw. schweißbar sind, da es bei derartigen Legierungen häufig zu inakzeptablen Heißrissen kommt.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

AUFGÄBE DER ERFINDUNG

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur generativen Herstellung von Bauteilen bereitzustellen, bei dem in effektiver Weise die Bildung von Rissen während der Herstellung vermieden wird. Gleichzeitig soll die Vorrichtung einfach aufgebaut und das Verfahren einfach durchführbar sein.

TECHNISCHE LÖSUNG

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die vorliegende Erfindung schlägt vor, zur Vermeidung von Rissen eine lokale und individuell auf die Bauteilgeometrie angepasste induktive Erwärmung vorzusehen, um in definierter Weise eine notwendige Erwärmung des Bauteils vorzunehmen. Hierzu wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, bei der für die induktive Erwärmung des generativ hergestellten Bauteils mindestens eine Induktionsspule relativ zu einem oder mehreren Pulverbetträumen, in denen das Pulverbett für die generative Herstellung des Bauteils zur Verfügung gestellt wird, bewegbar bzw. positionierbar ist. Die relative Bewegbarkeit der Induktionsspule zu dem Pulverbettraum kann entweder durch Bewegung der Induktionsspule oder durch Bewegung des Pulverbettraums erfolgen.

Unter Induktionsspule wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung jede Vorrichtung verstanden, die eine induktive Erwärmung erzeugen kann, also beispielsweise unabhängig von der Anzahl der Windungen, so dass die Induktionsspule beispielsweise auch als Induktionsschleife bezeichnet werden kann. Die vorliegende Erfindung, d.h. die Anordnung von relativ zu einem oder mehreren Pulverbettraumen bewegbaren Induktionsspulen, kann bei verschiedenen Vorrichtungen bzw. Verfahren zur generativen Herstellung von Bauteilen aus einem Pulver eingesetzt werden, wie beispielsweise bei den eingangsbeschriebenen Verfahren und Vorrichtungen zum selektiven Laserschmelzen SLM oder dem direkten Me- tal Ilasersintern DLS bzw. entsprechenden Elektronenstrahlverfahren bzw. Laserpulverauftragsschweißen (LPA). Entsprechend kann die Strahlquelle der Vorrichtung zur generativen Herstellung von Bauteilen jede hierfür geeignete Strahlquelle sein.

Die Vorrichtung zur generativen Herstellung von Bauteilen kann so ausgebildet sein, dass die eine oder mehreren Induktionsspulen in verschiedenen Positionen relativ zu dem oder den Pulverbettraumen angeordnet werden können. Dies können definierte Positionen in bestimmten Abstanden zueinander sein oder es kann eine stufenlose Bewegbarkeit und Positionierbarkeit der Induktionsspule(n) verwirklicht sein.

Die Induktionsspule kann in jeder geeigneten Position, in der eine induktive Erwärmung des generativ herzustellenden Bauteils realisiert werden kann, angeordnet werden. Insbesondere kann jede Induktionsspule oberhalb und/oder seitlich des oder der Pulverbettraume angeordnet werden.

Nach einer Ausgestaltung kann die Induktionsspule in einer Ebene, beispielsweise entlang einer Schienenanordnung oder entlang zweier gekreuzt zueinander angeordneter Schienenanordnungen verschiebbar sein, so dass die Induktionsspule in einer Ebene in verschiedenen Positionen angeordnet werden kann, wobei die Ebene parallel zu einer Flache des Pulverbettraums ist, in der das Pulver durch Bestrahlung zu einem Bauteil verbunden wird. Da bei der generativen Herstellung von Bauteilen aus einem Pulver das Bauteil lagenweise entsteht, kann durch die geeignete Positionierung der Induktionssoule(n) in einer Ebene parallel zu der Fläche, in der die Lage aufgebracht wird, je nach Geometrie der Bauteillage, eine geeignete Position der Induktionsspule(n) gewählt werden. Insbesondere ist es hierbei möglich, die wahrend des Entsteh ungsprozess sich verändernde Bauteilgeometrie für die induktive Erwärmung zu berücksichtigen. So kann sich beispielsweise der Querschnitt des Bauteils in der Aufbau richtung erheblich verandern, also beispielsweise vergrößern oder verkleinern, so dass durch eine Bewegung der Induktionsspule^) der Bauteilgeometrie gefolgt werden kann und somit eine exakte und genaue induktive Erwärmung des Bauteils erzielt werden kann.

Darüber hinaus ist es jedoch auch möglich, die Induktionsspule(n) so auszubilden, dass sie in einer Richtung quer zu der Fläche des Pulverbettraums verstellt werden können, in der das Pulver durch Bestrahlung zu einem Bauteil verbunden wird, so dass durch die Variation des Abstands von dem zu erzeugenden Bauteil mit der Induktionsspule die Erwärmung gesteuert werden kann.

Wie bereits erwähnt, kann lediglich eine einzige Induktionsspule an einem Pulverbettraum vorgesehen sein oder mehrere Induktionsspulen können einem Pulverbettraum zugeordnet sein. Da darüber hinaus mehrere Pulverbetträume in einem Arbeitsraum angeordnet sein können, können mehrere Induktionsspu- len eingesetzt werden, die bezüglich verschiedener oder eines einzigen Pulverbettraums positionierbar sind. Dabei kann die Positionierung der Induktionsspulen unabhängig voneinander erfolgen. Lediglich mögliche Kollisionen von Induktionsspulen untereinander beschränken hierbei die individuelle Beweglichkeit einer Induktionsspule.

Die Vorrichtung zur generativen Herstellung von Bauteilen kann weiterhin eine Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung umfassen, um die Position und/oder die Leistung der Induktionsspulen zu steuern und/oder zu regeln. Eine Regelung kann insbesondere in Abhängigkeit der Messergebnisse einer Temperaturerfassungseinrichtung erfolgen.

Bei der generativen Herstellung eines Bauteils kann durch die beschriebene Vorrichtung die Position einer oder mehrerer Induktionsspulen zur induktiven Erwärmung des Bauteils individuell nach der zu erzeugenden Bauteilgeometrie und/oder einer ermittelten Temperatur bestimmt und entsprechend eingestellt werden. Zusätzlich kann die Leistung der Induktionsspulen in geeigneter weise gesteuert und/oder geregelt werden, indem beispielsweise die Frequenz, mit der die Induktionsspulen betrieben werden, angepasst wird. Damit ist eine sehr exakte und definierte Temperatureinstellung für das generativ herzustellende Bauteil möglich und es können entsprechende Rissbildungen in Bauteilen vermieden werden, insbesondere, wenn sie aus Materialien hergestellt werden sollen, die für Rissbildung anfällig sind.

KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN

Die beigefügten Zeichnungen zeigen in rein schematischer Weise in

Fig. 1 eine Querschnittansicht durch einen Pulverbettraum eines Bear- beitungsraums einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; und in

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit ins gesamt drei Pulverbetträumen zur parallelen Herstellung von drei Bauteilen und zwei verschiebbaren Spulen.

AUSFÜHRUNGSBEISPIEL

Weitere Vorteile, Kennzeichen und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden bei der nachfolgenden detaillierten Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beigefügten Figuren deutlich. Allerdings ist die Erfindung nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt.

Die Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch einen Pulverbettraum 2, in der beispielsweise eine einzelne Turbinenschaufel 4 hergesteilt wird. Der Pul verbettrau m 2 ist im Wesentlichen als ein Gefäß ausgebildet, in welchem eine Plattform 5 über einen Stempel 14 verfahrbar angeordnet ist. In dem Pulverbettraum 2 wird Pulver oberhalb der Plattform 5 bereitgestellt, die zunächst im oberen Bereich des Pulverbettraums 2 angeordnet ist, sodass dort ein Laserstrahl 7 das auf der Plattform 5 befindliche Pulver aufschmelzen kann, sodass nach dem Erstarren des aufgeschmolzenen Pulvers ein entsprechendes Bauteil entsteht. Durch schrittweises Absenken der Plattform 5 und Überfüllen mit Pulver 6 sowie Aufschmelzen des Pul- vers schichtweise entsprechend der herzustellenden Kontur wird Schritt für Schritt die Turbinenschaufel 4 hergestellt.

Zur Vermeidung von Rissen oder dgl. bei der Herstellung wird die teilweise hergestellte Turbinenschaufel 4 im Bereich des Pulverauftrags induktiv erwärmt. Hierzu werden zwei Induktionsspulen 3,13 verwendet, die oberhalb bzw. seitlich des Bauteils bzw. der Turbinenschaufel angeordnet sind.

Zur Überwachung der Vorwärmtemperatur wird ein Pyrometer oder eine Wärmebildkamera eingesetzt, die die Wärmestrahlung 8 erfassen und entsprechend die Temperatur bestimmen kann.

Um eine exakte Temperaturführung zu ermöglichen, kann mittels der erfassten Temperatur als Steueroder Regelgröße die Steuerung bzw. Regelung der Induktionsspulen 3,13 vorgenommen werden, und zwar hinsichtlich der Position und/oder der Leistung, mit der die Spulen betrieben werden. Hierzu kann eine entsprechende Steuerung bzw. Regelung vorzugsweise basierend auf einer Datenverarbeitungsanlage mit entsprechender Softwarevorgesehen werden.

Darüber hinaus kann die Positionierung der Induktionsspulen 3, 13 in Abhängigkeit der zu erzeugenden Bauteilgeometrie vorbestimmt werden. Da sich die Bauteilgeometrie während des Herstellungsprozesses ändern kann, können auch die Positionen der Induktionsspulen 3,13 entsprechend verändert werden.

Die Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei welcher in einem Arbeitsraum 1 drei Bauteile 4 parallel hergestellt werden können. Die entsprechenden Pulverbetträume sind in der Figur 2 nicht explizit dargestellt.

Die Vorrichtung gemäß Figur 2 umfasst zwei Spulen 3,13, die entlang der Schienenanordnungen 11 ,12 linear verfahrbar sind. Die Spulen 3, 13 erstrecken sich hierbei über die gesamte Breite bzw. Länge des Arbeitsraums 1 und können somit sämtliche Bereiche für die Herstellung von Bauteilen 4 abdecken. Alternativ ist es auch vorstellbar, die Spulen 3,13 kleiner auszubilden, so dass sie lediglich einen Teilbereich des Arbeitsraums 1 überdecken, wobei stattdessen zusätzlich eine lineare Verfahrbarkeit jeweils quer zu den Schienenanordnungen 11 , 12 vorgesehen werden kann, um die Spulen 3, 13 an jeder Position des Arbeitsraums 1 positionieren zu können.

Die Figur 2 zeigt rein schematisch mit dem Laserstrahl 7, der von oben auf die zu erzeugenden Bauteile 4 gerichtet wird, wie der Laserstrahl über dem Arbeitsraum 1 verfahren werden kann, um die Bauteile 4 zu erzeugen. Um eine Abschattung des Laserstrahls 7 zu vermeiden, können entsprechen der Bewegung des Laserstrahls 7 auch die Spulen 3,13 bewegt werden, insbesondere kurzfristig aus dem Arbeitsbereich des Laserstrahls 7 herausbewegt werden.

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand des Ausführungsbeispiels detailliert beschrieben worden ist, ist für den Fachmann selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf dieses Ausführungsbeispiel be- schrankt ist, sonder dass vielmehr Änderungen oder Ergänzungen in der Weise möglich sind, dass einzelne Merkmale weggelassen oder unterschiedliche Merkmalskombinationen verwirklicht werden, ohne dass der Schutzbereich der beigefügten Ansprüche verlassen wird. Die vorliegende Erfindung umfasst insbesondere sämtliche Kombinationen aller vorgestellter Einzelmerkmale.