67227 Frankenthal

Beschreibung

Kreiselpumpe

Die Erfindung betrifft Kreiselpumpe mit einem Laufrad, das drehfest mit einer Welle verbunden ist, wobei das Laufrad zumindest teilweise von einem Gehäuse umgeben ist. Kreiselpumpen sind Strömungsmaschinen, bei denen die Fliehkraft genutzt wird, um Medien zu fördern. Aus diesem Grund werden sie auch als Zentrifugalpumpen bezeichnet. Das zu fördernde Medium tritt über ein Gehäuseteil, den Saugstutzen, in die Kreiselpumpe ein. Das Medium wird vom rotierenden Laufrad erfasst und nach außen getragen. Die dadurch aufgeprägte Geschwindigkeit des Mediums führt zu einer Druck- Steigerung innerhalb der Kreiselpumpe.

Ein zentrales Bauteil einer Pumpe ist das Laufrad, das die mechanische Energie als Impuls an das Fluid überträgt. Die Laufradform bestimmt, wie die Strömung aus der Pumpe austritt. Man unterscheidet radiale, halbaxiale und axiale Laufräder. Hinsichtlich der Bauform des Laufrades werden geschlossene, halboffene und offene Formen unterschieden bzw. Formen mit und ohne einer Deck- und Tragscheibe. Bei einem geschlossenen Laufrad wird die Laufradschaufel auf beiden Seiten mit je einer Scheibe verbunden. Hauptmerkmale des Gehäuses sind die Strömungszu- bzw. -abführung zum Laufrad. Strömungskanäle dienen dazu, die durch das Laufrad in der Strömung induzierte kinetische Energie in einen statischen Druck umzuwandeln. Die Herstellung von herkömmlichen Kreiselpumpen ist sehr zeitaufwendig. Alle Komponenten werden einzeln aus unterschiedlichen Werkstoffen gefertigt. Anschließend muss die Kreiselpumpe aus den Einzelkomponenten montiert werden. Beispielsweise muss das Laufrad, das beispielsweise aus einem Gusswerkstoff besteht, mit der Welle verbunden werden, die beispielsweise aus einem Stahl gefertigt ist. Zudem weisen herkömmliche Kreiselpumpen ein geteiltes Gehäuse auf, das aus mehreren Teilen besteht, die zusammen gebaut werden müssen. Zwischen den beweglichen Bauteilen und den ruhenden Teilen der Kreiselpumpe müssen Lagerungen und Dichtungen montiert wer- den.

Die Werkstoffe für die einzelnen Komponenten der Kreiselpumpe müssen so gewählt werden, dass sie ihren jeweiligen Aufgaben gerecht werden. Komponenten mit den tragenden Eigenschaften müssen eine hohe Festigkeit und eine geringe Sprödigkeit auf- weisen. Komponenten, die mit dem zu fördernden Medium in Kontakt kommen, sollten aus einem harten, verschleißbeständigen Werkstoff ausgeführt sein.

Es gibt im Stand der Technik zahlreiche Bestrebungen, die Fertigung und Montage von Kreiselpumpen zu vereinfachen.

So offenbart die EP 1 059 457 A2 eine Kreiselpumpe mit einem in einem Gehäuse angeordneten Laufrad, welches über eine Welle angetrieben wird. Die Welle ist drehbar im Pumpengehäuse gelagert, wobei die Lagerung neben einem Wälzlager einen Lagerhalter umfasst. Der Lagerhalter ist lösbar mit dem Gehäuse verbunden. Der Lagerhalter weist am dem Laufrad zugewandten Ende einen vorzugsweise mit einem Rohrteil einstückig ausgeführtes Montageteil auf. Die Ausführung hat den Vorteil, dass die aus Laufrad, Welle, und Lagerung bestehende Einheit unabhängig vom Gehäuse gefertigt werden kann. In der EP1 533 528 A2 wird ein Verfahren zur Herstellung eines Laufrades für eine Kreiselpumpe beschreiben, bei dem ein erstes Teil, das eine hintere Deckscheibe umfasst, in einem Spritz - oder Gießverfahren hergestellt wird und anschließend ein zweites Teil, das die vordere Deckscheibe umfasst, auf den ersten Teiles aufgeschoben wird.

In der DE 37 31 161 A1 wird ein Kreiselpumpenlaufrad beschrieben, das aus mehreren Blechteilen zusammengesetzt ist. Zur Erzielung einer steifen Konstruktion sind die energieübertragenden Schaufeln ausschließlich an der kraftübertragenden Deckscheibe befestigt. Den Eintrittsbereich des Laufrades bildet ein Saugmund, welcher als Einzelteil ausgebildet ist. Der Saugmund überdeckt die Schaufelanfänge. Eine die Schaufelkanäle abdeckende schaufellose Deckscheibe ist zwischen dem Laufradaustritt und dem maximalen Durchmesser des Saugmundes an den Schaufeln befestigt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kreiselpumpe anzugeben, bei welcher der Montageaufwand minimiert wird. Die Kreiselpumpe soll möglichst kostengünstig herzustellen sein und sich durch eine hohe Lebensdauer, sowie eine zuverlässige Betriebsweise auszeichnen. Zudem sollen die Spezifikationen der Kreiselpumpe mit möglichst geringem Aufwand anpassbar sein. Weiterhin sollen bei der Kreiselpumpe Schäden durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten vermieden werden. Weiterhin soll sich die Kreiselpumpe im Hinblick auf eine nachhaltige Entwicklung durch eine gute Recycelbarkeit auszeichnen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kreiselpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst und durch ein Verfahren zur Herstellung einer Kreiselpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 8. Bevorzugte Varianten sind den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen.

Bei der erfindungsmäßen Kreiselpumpe ist das Laufrad mit der Welle als einstückiges Bauteil ausgebildet. Das einstückige Bauteil wird aus einem Aufbaumaterial durch aufeinanderfolgendes Schmelzen und Erstarren von Schichten mittels Strahlung hergestellt. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Aufbaumaterial um metallische Pulver- und/oder Granulatteilchen. Bei einer Variante der Erfindung werden dazu eisenhaltige und/oder cobaldhaltige Partikel eingesetzt. Diese können Zusätze wie beispielsweise Chrom, Molybdän oder Nickel enthalten.

Der metallische Aufbauwerkstoff wird in Pulver- oder Granulatform in einer dünnen Schicht auf eine Unterlage aufgebracht. Der pulverförmige Werkstoff wird mittels Strahlung an den jeweils gewünschten Stellen lokal vollständig umgeschmolzen und bildet nach der Erstarrung eine feste Materialschicht. Anschließend wird die Unterlage um den Betrag einer Schichtdicke abgesenkt und es wird erneut Pulver aufgetragen. Dieser Zyklus wird solange wiederholt, bis alle Schichten umgeschmolzen sind. Das fertige Bauteil wird vom überschüssigen Pulver gereinigt.

Als Strahlung kann beispielsweise ein Laserstrahl zum Einsatz kommen, welcher das strömungsführende Bauteil aus den einzelnen Pulverschichten generiert. Die Daten zur Führung des Laserstrahls werden auf Grundlage eines 3D-CAD-Körpers mittels einer Software erzeugt. Alternativ zu einem selektiven Laserschmelzen kann auch ein Elektronenstrahl (EBM) zum Einsatz kommen.

Ergänzend zu dem einstückigen Bauteil aus Laufrad und Welle umfasst die erfindungsgemäße Kreiselpumpe vorzugsweise ein Gehäuse, das ebenfalls aus dem Aufbaumate- rial durch aufeinanderfolgendes Verfestigen von Schichten mittels Strahlung hergestellt ist. Dabei erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Gehäuse einstückig ausgebildet ist und um das einstückige Bauteil aus Laufrad und Welle geformt ist.

Bei einer Variante der Erfindung ist zwischen der Welle und dem Gehäuse zumindest eine Lagerung als weitere Komponente angeordnet, die ebenfalls durch aufeinanderfolgendes Verfestigen von Schichten mittels Strahlung hergestellt wird. Zur Generierung der Lagerung können beispielsweise durch aufeinanderfolgendes Schmelzen und Erstarren von Schichten mittels Strahlung aus dem Aufbaumaterial mit rotierende Körper hergestellt werden, die zwischen den ruhenden Gehäuseteilen und den rotierenden Komponenten der Kreiselpumpe, wie beispielsweise der Welle, angeordnet sind. Bei den Körpern kann es sich beispielsweise um Kugeln oder Zylinder handeln. Bei einer besonders vorteilhaften Variante der Erfindung sind bei den Lagerungen diese Körper zwischen einem Innenring und/oder einem Außenring angeordnet, die ebenfalls generativ aus dem Aufbaumaterial gebildet werden und gemeinsam mit den Körpern die jeweilige Lagerung bilden.

Ergänzend oder alternativ können zwischen ruhenden und rotierenden Komponenten der Kreiselpumpe Lagerungen angeordnet sein, die nicht verfestigtes Aufbaumaterial aufweisen. Das Aufbaumaterial kann dabei als Granulat oder Pulver ausgebildet sein. Bei einer besonders vorteilhaften Variante der Erfindung wird dabei kugelförmiges Auf- baumaterial eingesetzt. Durch Abrollbewegungen auf dem Aufbaumaterial wird eine preiswerte und zuverlässige Lagerung zwischen ruhenden und rotierenden Komponenten der Kreiselpumpe geschaffen.

Vorzugsweise sind zwischen dem Laufrad und dem Gehäuse und/oder zwischen der Welle und dem Gehäuse und Dichtungen als weitere Komponenten angeordnet, die durch aufeinanderfolgendes Verfestigen von Schichten mittels Strahlung aus dem Aufbaumaterial hergestellt sind. Beispielsweise können beim generativen Aufbau der Kreiselpumpe aus dem Aufbaumaterial Labyrinthdichtungen herausgebildet werden. Die Dichtwirkung beruht auf der Verlängerung des Strömungsweges durch den abzudich- tenden Spalt, wodurch der Strömungswiderstand wesentlich erhöht wird. Vorzugsweise wird dabei die Wegverlängerung durch ein Ineinandergreifen („Verkämmung") von Ausformungen an rotierenden und Ausformungen an feststehenden Komponenten erzeugt. Diese Ausformungen an den jeweiligen Komponenten werden beim generativen Aufbau erzeugt.

Ergänzend oder alternativ können als Dichtungen aufeinander gleitende Bauteile ausgebildet werden, die ringförmig ausgebildet sind, wobei vorzugsweise zwei Ringe miteinander korrespondieren. Einer der beiden Ringe ist dabei einstückig aus dem Gehäuse ausgebildet. Der andere Ring wird einstückig mit einer rotierenden Komponente, bei- spielsweise der Welle, ausgebildet. Als besonders günstig erweist es sich, wenn die einzelnen Komponenten der Kreiselpumpe unterschiedliche Eigenschaften aufweisen, die durch Variation der Strahlung generiert werden. Die Eigenschaften der einzelnen Komponenten, also beispielsweise der Welle, des Laufrades oder des Gehäuses können dabei durch Variationen der Strahlung beeinfiusst werden. Durch gezielte Steuerung der lokalen Wärmeeinbringung wird bei der Generierung der Kreiselpumpe eine Modifizierung der Werkstoffe ig e n schatten vorgenommen. Dadurch wird eine Kreiselpumpe geschaffen aus einem chemisch-homogenen Werkstoff. Die Kreiselpumpe weist jedoch Zonen und Gefüge mit unterschiedlichen Werkstoffzuständen und damit unterschiedlicher Eigenschaften auf.

Die auf diese Weise generierte Kreiselpumpe hat erfindungsgemäß Komponenten mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften. Obwohl das Aufbaumaterial zur Generierung für die gesamte Kreiselpumpe chemisch identisch ist, werden erfindungsgemäß unterschiedliche metallische Gefüge durch eine Variation der Strahlung hergestellt. Dadurch entstehen Komponenten mit unterschiedlichen metallischen Gefügen und somit unterschiedlichen Eigenschaften.

Bei einer besonders günstigen Variante der Erfindung wird die gesamte Kreiselpumpe aus dem gleichen Aufbaumaterial, vorzugsweise in einem einzigen fortlaufenden Her- stellungsprozess gefertigt.

Die Erfindung ermöglicht beispielsweise die generative Erzeugung von Low-Cost- bzw. Einmalprodukten. Die Erzeugung der Kreiselpumpe erfolgt eine gezielte Steuerung des Energieeintrags beim Aufbau des Bauteils zur Änderung der mechanischen Eigenschaften im Mikrovolu- men des Werkstoffs. Auf eine nachträgliche Wärmebehandlung wird verzichtet, sodass die lokal auftretenden unterschiedlichen Werkstoffzustände erhalten bleiben. Aufwendige Beschichtungen sind ebenfalls nicht mehr erforderlich. So unterscheidet sich der durch die Strahlung eingebrachte Energieeintrag in den Komponenten, die mit dem Medium in Kontakt kommen von den Komponenten, die vorwiegend tragende Eigenschaften haben. Dies kann beispielsweise durch Variation der Intensität der Strahlung erreicht werden. Auch die Scangeschwindigkeit, mit welcher der Laserstrahl über die einzelnen Pulverschichten verfährt, beeinflusst den Energieeintrag und somit das entstehende Gefüge. Komponenten, welcher tragende Eigenschaften haben, weisen dabei vorzugsweise eine größere Festigkeit.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand einer Zeichnung und aus der Zeichnung selbst.

Dabei zeigt die einzige Figur eine Schnittdarstellung einer Kreiselpumpe.

Die Figur zeigt eine Schnittdarstellung durch eine Kreiselpumpenanordnung mit einem Laufrad 1 , Ein Gehäuse 2 wird generativ um das Laufrad 1 ausgeformt. Das Gehäuse 2 ist einstückig ausgebildet und weist einen Saugstutzen 3 und einen Druckstutzen 4 auf. Bei dem Gehäuse 2 handelt es sich im Ausführungsbeispiel um ein Spiralgehäuse.

Das Laufrad 1 ist als Radiallaufrad ausgeführt und wird von einer Welle 5 angetrieben. Die Welle 5 wird von einem in dieser Darstellung nicht gezeigten Motor in Rotation versetzt. Laufrad 1 und Welle 5 bilden ein einstückiges Bauteil.

Die Welle 5 ist über Lager 6 abgestützt. Zwischen dem Laufrad 1 und dem Gehäuse 2 sind Dichtungen 7 angeordnet.

Zur Generierung der Kreiselpumpe werden folgende Schritte nacheinander durchgeführt: Zunächst wird ein Metallpulver eines eisenhaltigen Werkstoffs in einer dünnen Schicht auf einer Platte aufgebracht. Im Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Pulver um ein Pulver eines Chrommolybdänstahls. An den Stellen, an denen das Laufrad ausgebildet werden soll, wirkt ein Laserstrahl ein und verschmilzt die pulverförmigen Teilchen miteinander. Nach einer Erstarrung wird die Grundplatte um den Betrag der Schichtdicke abgesenkt und erneut Pulver aufgetragen. Dieser Zyklus wird solange wiederholt, bis alle Schichten umgeschmolzen sind. Das fertige Bauteil wird vom überschüssigen Pulver gereinigt.

Die 3D-Form der Kreiselpumpe ist in einer Software als Datensatz hinterlegt. Der Laser- strahl wird von einer Steuerungseinrichtung so verfahren, dass er die Form der Kreiselpumpe durch entsprechendes selektives Aufschmelzen der jeweiligen Bereiche auf der mit Pulverschicht beschichteten Platte aufschmilzt und diese Bereiche dann erstarren.

Erfindungsgemäß wird der Energieeintrag so variiert, dass unterschiedliche Komponenten mit unterschiedlichen Gefügen und unterschiedlichen spezifischen Eigenschaften entstehen.