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Patent Searching and Data


Title:
COMPONENT AND METHOD FOR PRODUCING A COMPONENT BY AN ADDITIVE MANUFACTURING PROCESS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/161959
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a component (1) comprising at least one internal filler body (2) and an outer body (3) that at least partially surrounds said internal filler body (2). The outer body (3) is produced using an additive manufacturing process. The invention also relates to a method for producing such a component (1).

Inventors:
ELSNER FALK (DE)
SCHNEIDER STEFAN (DE)
ZIESCHANK RONNY (DE)
Application Number:
PCT/EP2018/084895
Publication Date:
August 29, 2019
Filing Date:
December 14, 2018
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AG (DE)
International Classes:
B22F3/105; B22F5/04; B22F7/08; B33Y80/00; F01D5/14
Domestic Patent References:
WO2015058043A12015-04-23
WO2016087140A12016-06-09
Foreign References:
US20170037867A12017-02-09
EP2522810A12012-11-14
US3566493A1971-03-02
Other References:
None
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Claims:
Patentansprüche

1. Bauteil (1) umfassend wenigstens einen inneren Füllkör per (2) und einen den inneren Füllkörper (2) wenigsten teilweise umschließenden äußeren Körper (3) ,

dadurch gekennzeichnet, dass

der äußere Körper (3) durch ein additives Fertigungsver fahren hergestellt ist.

2. Bauteil (1) nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Schichtdicke des äußere Körper (3) nur so dick ist, wie es für Ausbildung einer vorgegebenen Außenkontur und die Funktion des Bauteils (1) notwendig ist.

3. Bauteil (1) nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, dass

der inneren Füllkörper (2) durch ein konventionelles Herstellungsverfahren, insbesondere durch Gießen oder durch ein spanendes Verfahren hergestellt ist.

4. Bauteil (1) nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, dass

der innere Füllkörper (2) in Leichtbauweise, ins besondere mittels Wabenstruktur oder einem porösen

Material ausgebildet ist.

5. Bauteil (1) nach einem der vorherigen Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

der innere Füllkörper (2) eine zusätzliche Skelettstruk tur (4) umfasst.

6. Bauteil (1) nach einem der vorherigen Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

der äußere Körper (3) separat als Hohlkörper hergestellt und mittels eines Fügeverfahrens mit dem inneren Füll körper (2) verbunden ist.

7. Bauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5,

dadurch gekennzeichnet, dass

der äußere Körper (3) unmittelbar mittels eines

additiven Herstellungsverfahrens auf den inneren Füll körper (2) aufgebracht ist.

8. Bauteil (1) nach einem der vorherigen Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

das Bauteil (1) eine Turbinenschaufel, insbesondere einer Dampfturbinenschaufel ist.

9. Verfahren zum Herstellen eines Bauteils (1),

gekennzeichnet durch die nachfolgenden Verfahrens- schrit :

Herstellen eines inneren Füllkörper (2)

Herstellen eines äußeren Körpers (3) , welcher den in neren Füllkörper (2) zumindest teilweise umschließt, dadurch gekennzeichnet, dass

der äußere Körper (3) mittels eine additiven Herstel lungsverfahrens hergestellt wird.

10. Verfahren zum Herstellen eines Bauteils (1) nach An

spruch 9,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Schichtdicke des äußeren Körpers (3) nur so dick ausgebildet wir, wie es für die Ausbildung einer vor gegebenen Außenkontur und die Funktion des Bauteils (1) notwendig ist.

11. Verfahren zum Herstellen eines Bauteils (1) nach An

spruch 9 oder 10,

dadurch gekennzeichnet, dass der innere Füllkörper (2) durch ein konventionelles Herstellungsverfahren, insbesondere durch Gießen oder durch ein spanendes Ver fahren hergestellt wird.

12. Verfahren zum Herstellen eines Bauteils (1) nach An

spruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass

der innere Füllkörper (2) in Leichtbauweise, ins besondere mittels Wabenstruktur oder einem porösen

Material ausgebildet wird.

13. Verfahren zum Herstellen eines Bauteils (1) nach An

spruch 12,

dadurch gekennzeichnet, dass

der innere Füllkörper (2) auf eine Skelettstruktur (4) aufgebracht wird.

14. Verfahren zum Herstellen eines Bauteils (1) nach An

spruch 9 bis 13,

dadurch gekennzeichnet, dass

der äußere Körper (3) unmittelbar mittels eines

additiven Fertigungsverfahrens auf den inneren Füll körper (2) aufgetragen wird.

15. Verfahren zum Herstellen eines Bauteils (1) nach An

spruch 9 bis 13,

dadurch gekennzeichnet, dass

der äußere Körper (3) separat als Hohlkörper hergestellt und anschließend mittels eines Fügeverfahrens mit dem Füllkörper (2) verbunden wird.

Description:
Beschreibung

Bauteil sowie Verfahren zum Herstellen eines Bauteils mittels additiven Fertigungsverfahren

Unter additiven Fertigungsverfahren, werden verschiedene Her stellungsverfahren zusammen gefasst, die alle einen dreidi mensionalen Aufbau aufweisen. Häufig werden additive Ferti gungsverfahren auch mit dem Begriff „additive manufacturing" oder „3D Druck" bezeichnet. Bei den additiven Fertigungsver fahren unterscheidet man prinzipiell zwischen zwei grundsätz lich unterschiedlichen Verfahren nämlich dem Freiraumverfah ren worunter zum Beispiel das Auftragsschweißen oder Kaltgas spritzen zählt und dem Pulverbettverfahren welches insbeson dere das selektive Laserschmelzen (SLM) und das selektive La sersintern (SLS) umfasst. Die additiven Fertigungsverfahren sind eine recht neue Fertigungstechnik, welche es erlaubt sehr komplexe Geometrien, die bislang nur schwer oder gar nicht herstellbar waren zu fertigen. Der wesentliche Nachteil der additiven Fertigungsverfahren sind jedoch die hohen Fer tigungskosten (derzeit ca. 2.000 Euro je Kilogramm) und die langen Fertigungszeiten.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Bauteil bereit zu stellen, welches schnell und kostengünstig mittels additiven Fertigungsverfahren hergestellt werden kann. Des weiteren ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Her stellen eines solchen Bauteils bereit zu stellen.

Die Aufgabe wird hinsichtlich des Bauteils durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Hinsichtlich des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Aufgabe durch die Merk male des unabhängigen Anspruchs 9 gelöst.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung, die einzeln oder in Kombination miteinander einsetzbar sind, sind Gegenstand der Unteransprüche . Das erfindungsgemäße Bauteil umfassend wenigstens einen inne ren Füllkörper und einen den inneren Füllkörper wenigstens teilweise umschließenden äußeren Körper, zeichnet sich da durch aus, dass der äußere Körper durch ein additives Ferti gungsverfahren hergestellt ist. Dadurch, dass nur der äußere Körper durch ein additives Fertigungsverfahren hergestellt ist, muss nicht das komplette Bauteil mittels additiven Fer tigungsverfahren hergestellt werden, wodurch sich zum einen die Kosten für das Material deutlich reduzieren und zum ande ren die Fertigungszeit deutlich verringert. Das additive Her stellungsverfahren wird dabei nur für die Herstellung der komplexen Endform des Bauteiles eingesetzt. Die Grundstruktur des Bauteils kann durch den inneren Füllkörper bereits vorge geben werden und der innere Füllkörper kann schnell und ein fach mittels bekannter Verfahren hergestellt werden.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Materi alstärke des äußeren Körpers nur so dick ist, wie es für die Ausbildung einer vorgegebenen Außenkontur (Endform) und für die Funktion des Bauteils notwendig ist. Hierdurch können die Fertigungskosten und Fertigungszeit auf ein Minimum reduziert werden, ohne das Funktionseinschränkungen gegenüber einem Bauteil, welches vollständig durch ein additives Fertigungs verfahren hergestellt ist, in Kauf genommen werden müssen.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der innere Füllkörper durch ein konventionelles Herstellungsver fahren, insbesondere durch Giesen oder durch ein spanendes Verfahren hergestellt ist. Giesen oder spanende Herstellungs verfahren stellen eine besonders einfache, kostengünstige und zeitoptimierte Möglichkeit zur Herstellung des inneren Füll körpers dar.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der innere Füllkörper in Leichtbauweise, insbesondere mittels ei ner Wabenstruktur oder einem porösen Material ausgebildet ist. Hierdurch wird neben dem Kosten- und dem Zeitvorteil bei der Fertigung auch ein gewichtsoptimiertes Bauteil ermög licht. Neben der Gewichtsersparnis kann das Material auch hinsichtlich anderer Anforderungen beispielsweise einer Schwingungsdämpfung optimiert werden.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der innere Füllkörper eine zusätzliche Skelettstruktur umfasst. Die Skelettkontur vereinfacht zum einen den Aufbau des Füll körpers und verleiht diesem zusätzliche Festigkeit.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der äußere Körper separat als Hohlkörper hergestellt und mittels eines Fügeverfahrens mit dem inneren Körper verbunden ist.

Zur Herstellung des äußeren Körpers eignen sich hierbei ins besondere Pulverbettverfahren wie das SLM oder das SLS .

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der äußere Körper unmittelbar mittels eines additiven Herstel lungsverfahrens auf den inneren Füllkörper aufgebracht ist. Hierbei eignen sich insbesondere Freiraumverfahren für die additive Herstellung des äußeren Körpers.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Bauteil eine Turbinenschaufel, insbesondere eine Turbinenschaufel ei ner Dampfturbine ist. Dampfturbinenschaufeln weisen eine kom plexe Endkontur auf und eignen sich somit besonders gut für additives Fertigungsverfahren.

Nachfolgend soll die Erfindung und weitere Vorteile der Er findung an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigt :

- Figur 1: ein erstes erfindungsgemäßes Bauteil, in einer Seitenansicht ;

- Figur 2: eine Schnittdarstellung des in Figur 1 gezeig ten Bauteils entlang der Linie A-A; - Figur 3: eine Schnittdarstellung eines zweiten erfin dungsgemäßen Bauteils, mit einer zu Figur 1 identischen Außenkontur, entlang der Linie A-A aus Figur 1;

- Figur 4: ein drittes erfindungsgemäßes Bauteil in einer Seitenansicht, mit einer zusätzlichen Skelettkontur .

Die Figuren zeigen jeweils vereinfachte Darstellungen der Er findung, wobei im Wesentlichen nur die zur Erfindung notwen digen Bauteile dargestellte sind. Die Figuren zeigen nicht zwangsweise eine maßstabgetreue Wiedergabe des Bauteils.

Gleiche bzw. funktionsgleiche Teile sind figurübergreifend mit denselben Bezugszeichen versehen.

Figur 1 zeigt ein erstes erfindungsgemäßes Bauteil 1. Bei dem Bauteil 1 handelt es sich um eine Turbinenschaufel, insbeson dere eine Dampfturbinenschaufel. Die Turbinenschaufel umfasst ein Schaufelblatt 5 und einen Schaufelfuß 6. Aus Figur 2 wird der Aufbau des Schaufelblatts 5 ersichtlich. Figur 2 zeigt dabei einen Schnitt entlang der Linie A-A in Figur 1. Das Schaufelblatt 5 umfasst einen inneren Füllkörper 2 und einen den inneren Füllkörper 2 wenigstens teilweise umschließenden äußeren Körper 3. Der innere Füllkörper 2 kann dabei separat oder einstückig mit dem Schaufelfuß 6 ausgebildet sein. Der innere Füllkörper 2 ist mittels eines konventionellen Her stellungsverfahrens beispielsweise durch Gießen oder durch ein spanendes Verfahren hergestellt. Der äußere Körper 3 ist durch ein additives Fertigungsverfahren hergestellt. Dabei ist die Schichtdicke des äußeren Körpers 3 nur so dick, wie es für die Ausbildung einer vorgegebenen Außenkontur/Endform und für die Funktion des Bauteils 1 notwendig ist. Die kom plexe Endform der Turbinenschaufel wird somit durch das addi tive Fertigungsverfahren und den äußeren Körper 3 ausgebil det. Der innere Füllkörper 2 kann auf einfache und kosten günstige Weise hergestellt werden. Dabei sind keine hohen An forderungen an die Form und Oberflächengüte zu stellen. Durch die Verwendung des inneren Füllkörpers 2 kann der Fertigungs prozess mittels des additiven Fertigungsverfahrens deutlich verkürzt werden, da lediglich die Endform durch das additive Fertigungsverfahren auszubilden ist. Hierdurch wird auch der Materialbedarf und die materialkosten für das additive Ferti gungsverfahren erheblich reduziert. Durch die Verwendung des inneren Füllkörpers 2 wird das Herstellen der Turbinenschau fel mittels des additiven Fertigungsverfahrens erstmalig wirtschaftlich und konkurrenzfähig zu den bislang herkömmlich gefertigten Bauteilen.

Figur 3 zeigt ein drittes erfindungsgemäßes Bauteil in einer Seitenansicht, mit einer zusätzlichen Skelettkontur . Im Ge gensatz zur Turbinenschaufel nach Figur 1 und Figur 2 ist der innere Füllkörper 2 in Leichtbauweise hergestellt. Die

Leichtbauweise lässt sich beispielsweise mittels einer Waben struktur oder mittels eines porösen Materials ausbilden. Das Material für den inneren Füllkörper 2 kann auch nach weiteren Kriterien und Anforderungen ausgewählt werden, so kann bei spielsweise die Schwingungsdämpfung durch eine geeignete Aus wahl des Werkstoffs für den inneren Füllkörper 2 positive be einflusst werden.

Figur 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Turbi nenschaufel in einem Teilschnitt Ausbruch) . Der innere Füll körper 2 weist eine zusätzliche Skelettstruktur 4 auf, die im Ausführungsbeispiel einstückig mit dem Schaufelfuß 6 ausge bildet ist. Die Skelettstruktur 4 erleichtert das Ausbilden des inneren Füllkörpers 2 und sorgt zusätzlich für eine Sta bilisierung des Füllkörpers 2. Der äußere Köper 3 umschließt den inneren Füllkörper 2 im Bereich des Schaufelblatts 5. Der äußere Körper 3 ist dabei durch ein additives Fertigungsver fahren hergestellt. Auch in diesem Ausführungsbeispiel ist die Schichtdicke des äußeren Körpers 3 vorzugsweise nur so dick, wie dies für die Ausbildung einer vorgegebenen

Endform/Außenkontur und die Funktion des Bauteils 1 notwendig ist .

Zur Herstellung des Bauteils 1 eignen sich im Wesentlichen zwei unterschiedliche Verfahren, die nachfolgend kurz be schrieben werden sollen. Ein erstes Verfahren zum Herstellen der Turbinenschaufel sieht vor, dass zunächst der innere Füllkörper 2 ausgebildet wird. Dabei kann der innere Füllkörper 2 den Schaufelfuß 6 umfassen oder die beiden Bauteile sind als separate Bauteile ausgebildet und werden anschließend miteinander verbunden. Anschließend wird der äußere Körper 3 unmittelbar, mittels eines additiven Fertigungsverfahrens, auf den inneren Füll körper 2 aufgebracht. Das Aufbringen des äußeren Körpers 3 auf den inneren Füllkörper 2 kann insbesondere mit den be kannten Freiraumverfahren wie dem Auftragsschweißen oder dem Kaltgasspritzen erfolgen. Die äußere Form des Turbinenblatts 5 wird dabei durch das additive Fertigungsverfahren ausgebil det. Der innere Füllkörper 2 kann auf konventionelle Weise beispielsweise durch Gießen oder ein spanendes Verfahren oder auch in Leichtbauweise beispielsweise durch eine Wabenstruk tur oder durch ein poröses Material ausgebildet werden.

Beim einem zweiten Verfahren zum Herstellen der Turbinen schaufel wird der äußere Körper 3 zunächst separat als Hohl körper hergestellt und anschließend mittels eines Fügeverfah rens mit dem Füllkörper 2 verbunden. Das Herstellen des sepa raten Hohlkörpers kann Vorzugsweise im Pulverbettverfahren beispielsweise dem SLM oder SLS erfolgen. Da beim zusammenfü gen des äußeren Körpers 3 mit dem Füllkörper 2 keine hohe Temperaturen auftreten, eignet sich diese Verfahren auch für Füllkörpermaterialien die hitzeempfindlich sind.

Zusammenfassen lässt sich festhalten, dass die Erfindung vor sieht, dass das additive Fertigungsverfahren nur für die Her stellung der komplexen Endform einzusetzt und dass die Grund struktur des Bauteils durch einen inneren Füllkörper reali siert wird. Dieser lässt sich schnell, einfach und kosten günstig hersteilen. Hierdurch werden die Fertigungskosten deutlich reduziert und die Fertigungszeiten erheblich verrin gert. Durch eine geeignete Auswahl des Werkstoffes für den inneren Füllkörper können die Eigenschaften des Bauteils bei- spielsweise im Hinblick auf Gewicht und Schwingungsdämpfung optimiert werden.