Bauteil sowie Verfahren zum Herstellen eines solchen Bauteils mittels additiver Herstellung

Die Erfindung betrifft ein Bauteil nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Bauteiles nach dem Oberbegriff des unabhängigen Pa tentanspruchs 6.

Die Herstellung von Bauteilen mittels additiven Fertigungs verfahren, nimmt rasant zu. Unter additiven Fertigungsverfah ren werden dabei verschiedene Herstellungsverfahren zusammen gefasst, die alle einen dreidimensionalen Aufbau aufweisen. Häufig werden additive Fertigungsverfahren auch mit dem Be griff „Additive Manufacturing" oder „3D Druck" bezeichnet. Zwei bekannte additive Fertigungsverfahren sind das „Selecti- ve Laser Melting" (SLM) und das „Wire Are Additive Manufac turing" (WAAM).

Beim SLM-Verfahren wird der zu verarbeitende Werkstoff in Pulverform in einer dünnen Schicht auf einer Grundplatte auf gebracht. Der pulverförmige Werkstoff wird dann mittels eines Laserstrahls lokal aufgeschmolzen und bildet nach dem Erstar ren eine feste Materialstruktur. Anschließend wird die Grund platte um den Betrag der Schichtdicke abgesenkt und erneut Pulver aufgetragen. Dieser Zyklus wird solange wiederholt, bis das Bauteil vollständig fertig gestellt ist. Anschließend wird das Bauteil vom überschüssigen Pulver gereinigt und kann nach Bedarf weiterbearbeitet oder sofort verwendet werden.

Das SLM-Verfahren ermöglicht die Herstellung von sehr komple xen Bauteilen in sehr hoher Fertigungsqualität, dabei können sehr feine und detaillierte Geometrien hergestellt werden.

Die Wesentlichen Nachteile die sich durch das SLM-Verfahren ergeben sind die hohen Fertigungskosten, sowie die hohen Fer tigungszeiten . Das WAAM-Verfahren zeichnet sich durch deutlich geringe Fer tigungskosten aus. Dabei nutzt das WAÄM-Verfahren Lichtbogen schweißen zum schichtweisen Aufbau des Bauteils. Ein Schweiß draht wird mithilfe eines Lichtbogens geschmolzen und formt so nach und nach das gewünschte Bauteil. Durch das Lichtbo genverfahren lassen sich, mit bis zu 600cm ³ /h, deutlich höhe re Auftragsraten als beim pulverbettbasierten SLM-Verfahren erzielen. Durch das WAAM-Verfahren lassen sich derzeit aller dings keine feinen und detaillierten Geometrien erzielen.

Ausgehend vom zuvor beschriebenen Stand der Technik, ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Bauteil bereit zu stellen, welches mittels additiven Herstellungsverfahren schnell und kostengünstig herstellbar ist und das feine und detaillierte Geometrien aufweist. Des Weiteren ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Bauteils aufzuzeigen.

Die Aufgabe wird hinsichtlich des Bauteils durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Hinsichtlich des Verfahrens zum Herstellen des Bauteils wird die Aufgabe durch die Merkmale des unabhängigen Anspruch 6 gelöst.

Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung, die einzeln oder in Kombination miteinander einsetzbar sind, ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Das erfindungsgemäße Bauteil, hergestellt durch additive Her stellung, zeichnet sich dadurch aus, dass das Bauteil wenigs tens bereichsweise mittels Wire Are Additive Manufacturing (WAAM) und wenigstens bereichsweise mittels Selective Laser Melting (SLM) hergestellt ist. Durch die Kombination der bei den additiven Herstellungsverfahren können die Vorteile des jeweiligen Verfahrens optimal genutzt werden. So können kom plexe Bereiche, die eine feine und detaillierte Geometrie aufweise, mittels SLM-Verfahren und Bereiche, die eine einfa chere Geometrie aufweisen, mittels WAAM-Verfahren ausgebildet werden. Hierdurch ergibt sich ein Bauteil, welches hinsicht- lieh der Fertigungskosten, der Fertigungszeit und der Ferti gungsqualität optimiert ist.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Bauteil eine Turbinenschaufel ist. Turbinenschaufeln weisen in der Regel komplexe Endkontur auf und eignen sich somit besonders gut für additives Fertigungsverfahren.

Generell eignet sich die Erfindung besonders für Bauteile die Bereiche mit komplexer und Bereiche mit weniger komplexer Ge ometrie aufweisen.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Turbinenschaufel, eine Leitschaufel einer Niederdruckbeschau felung einer Dampfturbine ist und ein im inneren der Turbi nenschaufel ausgebildetes Kanalsystem aufweist, welches mit einer Oberfläche der Turbinenschaufel verbunden ist und durch welches eine Flüssigkeit von der Oberfläche der Turbinen schaufel abgesaugt werden kann. Bei Leitschaufel im Nieder druckteil von Dampfturbinen kommt es regelmäßig zur Kondensa tion des Wasserdampfs an den Leitschaufel. Die DampfStrömung kann das auskondensierte Wasser mitreißen, wodurch in der Folge Wassertropfen auf, die sich mit hoher Umfangsgeschwin digkeit drehenden Laufschaufeln der Niederdruckbeschaufelung treffen. Hierdurch kommt es zur sogenannten Tropfenschlagero sion, die zur vollständigen Zerstörung der Laufschaufeln füh ren kann. Um dies zu vermeiden, ist es bekannt, die Leit schaufel als Hohlleitschaufel mit einem innenliegenden Kanal system auszubilden, durch welches über Öffnungen an der Ober fläche der Turbinenschaufel, das Kondensat abgesaugt werden kann. Eine solche Turbinenschaufel weist eine sehr komplexe Geometrie auf, die mit konventionellen Fertigungsverfahren, auf Grund der hierbei bestehenden geometrischen Restriktio nen, nicht oder nicht mit der optimalen Geometrie gefertigt werden kann. Grundsätzlich bietet sich hierfür additive Her stellungsverfahren an. Allerdings gibt es auch bei den addi tiven Herstellungsverfahren kein optimales Verfahren. Pulver bett basierten Verfahren, wie das SLM-Verfahren, sind in der Lage, die für das Kanalsystem erforderlichen feinen und de taillierten Geometrien hersteilen. Diese Verfahren haben aber den Nachteil, dass Sie sehr zeit- und kostenintensiv sind.

Auf der anderen Seite gibt es auftragsbasierte Verfahren wie das WAAM-Verfahren, die eine wesentlich kürzere Fertigungs zeit und wesentlich geringere Fertigungskosten aufweisen, die aber nicht in der Lage sind, die nötigen feinen und detail lierten Geometrien des Kanalsystems auszubilden. Durch die Kombination von SLM-Verfahren und WAAM-Verfahren können die Vorteile des jeweiligen Verfahrens optimal genutzt werden, um eine kosten- und zeitoptimierte Turbinenschaufel auszubilden.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Kanalsystem mittels SLM ausgebildet ist. Das SLM- Verfahren ist wie bereits erläutert besonders gut geeignet, um feine und detaillierte Geometrien wie sie ein Kanalsystem erfordern auszubilden.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Außenkontur der Turbinenschaufel wenigstens be reichsweise mittels WAAM hergestellt ist. Die Außenkontur er fordert weniger feine und detaillierte Strukturen und kann dadurch kosten- und zeitoptimiert mittels des WAAM-Verfahrens hergestellt werden. Falls erforderlich, kann die Außenkontur, beispielsweise zur Erzielung einer besseren Oberflächenquali tät nachbehandelt werden. Hierzu eignen sich beispielsweise spannbearbeitende Verfahren wie Schleifen.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines Bauteils nach Anspruch 1, wobei das Bauteil eine Leitschaufel für eine Niederdruckbeschaufelung einer Dampfturbine ist und wobei im inneren der Leitschaufel ein Kanalsystem ausgebildet ist, welches mit der Oberfläche der Turbinenschaufel verbunden ist und durch welches eine Flüssigkeit von der Oberfläche der Leitschaufel abgesaugt werden kann, zeichnet sich durch die folgenden Verfahrensschritte aus:

- Ausbilden des Kanalsystems durch SLM; - Ausbilden wenigstens eines Teils einer Schaufelendkontur durch WAAM.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren ergeben sich die bereits zur Leitschaufel beschriebenen Vorteile. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht insbesondere, durch die Kombination des SLM-Verfahrens mit dem WAAM-Verfahren, die Herstellung einer kosten- und zeitoptimierten Leitschaufel für die Niederdruck beschaufelung einer Dampfturbine. Unter einer Schaufelendkon tur ist im Rahmen der Erfindung auch eine endnahe Kontur zu verstehen, bei der die Endkontur durch eine weitere Bearbei tung, insbesondere eine spanende Bearbeitung, wie schleifen, ausgebildet wird. Durch den weitgehenden Wegfall geometri scher Restriktionen, kann die Leitschaufel gegenüber Leit schaufeln nach dem Stand der Technik, beispielsweise hin sichtlich der Flüssigkeitsabsaugung, optimiert werden.

Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass zum Verbinden des Kanalsystems mit der Oberfläche der Turbinenschaufel, Öffnungen in die Schaufelendkontur ein gebracht werden. Hierdurch vereinfacht sich die Herstellung der Turbinenschaufel, da zunächst die gesamte Schaufelendkon tur durch das WAAM-Verfahren ausgebildet werden kann und an schließend die Öffnungen zum Verbinden des Kanalsystems mit der Oberfläche der Turbinenschaufel eingebracht werden. Dies kann beispielsweise mittels Bohren oder Fräsen erfolgen. Wür den die Öffnungen direkt durch das WAAM-Verfahren ausgebil det, müssten Sie ggf. noch nachträglich bearbeitet werden, um eine strömungsoptimierte Oberflächengüte zu erhalten.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung werden nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel erläutert. Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Turbinenschaufel in einer dreidi mensionalen Darstellung. Die Figur zeigt eine schematische Darstellung, bei der nur die wesentlichen, für die Erfindung notwendigen Bauteile gezeigt sind und die nicht zwangsläufig maßstabsgerecht ist. Bei der in Fig. 1 gezeigten erfindungsgemäßen Turbinenschau fel handelt es sich um eine Leitschaufel 1 für eine Nieder druckbeschaufelung einer Dampfturbine. Die Leitschaufel 1 ist als Hohlleitschaufel ausgebildet und weist im Inneren ein Ka nalsystem 2 (hell dargestellt) auf. Um das Kanalsystem 2 dar stellen zu können, ist die Leitschaufel in Fig.l an der Schaufelspitze aufgeschnitten, so dass man das Kanalsystem 2 erkennen kann. Das Kanalsystem 2 ist über mehrere Öffnungen 3 mit der Oberfläche 4 der Leitschaufel 1 verbunden. Im Ausfüh rungsbeispiel sind die Öffnungen 3 als Schlitze ausgebildet. Das Kanalsystem 2 ist mittels SLM-Verfahren ausgebildet. Das SLM-Verfahren ermöglicht es, ein Kanalsystem 2 mit hoher Fer tigungsgenauigkeit und fein verästelten Kanälen auszubilden, welche mit den bislang verwendeten Herstellungsverfahren nicht herstellbar waren. Hierdurch kann eine verbesserte Ab saugung von Flüssigkeit von der Oberfläche 4 der Leitschaufel 1 gewährleistet und damit die Gefahr von Tropfenschlagerosion deutlich verringert werden. Die Schaufelendkontur (dunkel dargestellt) ist mittels WAAM-Verfahren ausgebildet. Das WAAM-Verfahren ermöglich eine deutlich höhere Auftragsrate bei geringeren Fertigungskosten, dabei reicht die Fertigungs genauigkeit und Fertigungsqualität aus, um die weniger kom plexe Schaufelendkontur auszubilden. Gegebenenfalls kann die Oberflächenqualität oder die Maßgenauigkeit durch eine Nach bearbeitung der Oberfläche 4 weiter verbessert werden. Als Nachbehandlungsverfahren eignen sich insbesondere spannende Verfahren wie beispielsweise Fräsen oder Schleifen. Die Schlitze werden vorzugweise nachträglich in die Leitschaufel eingebracht. Dies ermöglich eine schnellere Herstellung der Schaufelendkontur und eine strömungsoptimierte Oberflächengü te. Prinzipiell könnte man beim Ausbilden der Schaufelendkon tur mit dem WAAM-Verfahren auch die Öffnungen 3 direkt vorse hen. Gegebenenfalls wäre dann noch eine Feinbearbeitung der Öffnungen 3 notwendig.

Durch die Kombination von SLM-Verfahren und WAAM-Verfahren können die Vorteile beider Verfahren kombiniert werden, wodurch mit niedrigeren Herstellungskosten und reduzierter Fertigungszeit eine Hohlleitschaufei mit einer optimierten Absaugfunkton herstellbar ist.