Leichtbau-Hydraulikdesign für verbesserte 3D-Druckbarkeit

Die Erfindung betrifft eine Kreiselpumpe mit einer Schaufelanordnung, wobei die Schau felanordnung eine Trägereinheit aufweist, auf der Schaufeln angeordnet sind.

Die zentrale Komponente einer Kreiselpumpe ist das Laufrad. Ein Laufrad ist ein rotie rendes und mit Schaufeln besetztes Bauteil einer Strömungsmaschine, beispielsweise einer Kreiselpumpe. Hier wird durch Strömungsumlenkung an den Schaufeln mechani sche Leistung in Förderleistung umgesetzt.

Nach dem Verlauf der Flusslinien im Laufrad kann die Einteilung der Laufräder in ver schiedene Laufradformen, wie beispielsweise Radialrad, Halbaxialrad, Axialrad und Pe- ripheralrad erfolgen.

Zur Aufnahme der Schaufeln besitzen alle Laufräder eine Tragscheibe und bei ge schlossenen Laufrädern auch eine Deckscheibe. Fehlt bei einem Laufrad die vordere oder äußere Deckscheibe, so gilt das Laufrad als offen.

Aufgrund ihrer besonderen Geometrie konnten geschlossene Laufräder für Pumpen weitestgehend nur durch Urformen, insbesondere im Gussverfahren, hergestellt wer den. Das Urformen ist eine Hauptgruppe von Fertigungsverfahren, bei denen aus einem formlosen Stoff ein fester Körper hergestellt wird, der eine geometrisch definierte Form hat. Urformen wird genutzt, um die Erstform eines festen Körpers herzustellen und den Stoffzusammenhalt zu schaffen. Das Gießen von Metallen und Legierungen ist ein Fertigungsverfahren, bei dem Werk stücke aus flüssigem Metall hergestellt werden. Beim Formguss-Verfahren wird die Schmelze in eine Hohlform gefüllt, in der sie anschließend erstarrt. Die Innenfläche der Hohlform ist das Negativ der Außenfläche des Gussstücks.

Die DE 102015212203 A1 beschreibt ein solches Laufrad aus einem metallischen Guss. Dabei sind die Schaufeln in Bündeln angeordnet, die mit einem besonders abra sionsbeständigen Metallguss in einer speziellen Gussform erzeugt werden.

Doch dieses Verfahren kann zu kleineren Mängeln in oder an der Oberfläche des Mate rials sowie zu geringfügigen geometrischen Abweichungen führen. Auch sind der Quali tät der Oberflächenbeschaffenheit Grenzen gesetzt. Dies kann die Leistung des Lauf rads beeinträchtigen, sodass unter Umständen Nachbearbeitungen wie umfangreiches Auswuchten oder eine Oberflächenbehandlung notwendig werden. Zudem weisen Gusslaufräder eine hohe Masse auf und können sich in der Verwendung in Pumpen träge verhalten.

Die DE 102016205976 A1 beschreibt ein leichtes, nicht träges Laufrad aus Alumi nium. Metalle wie Aluminium, die bevorzugt im Leichtbau Einsatz finden, weisen im Punkt Trägheit Vorteile gegenüber Laufrädern aus Guss auf, jedoch sind sie meist nicht in dem Maße abrasions- und korrosionsbeständig.

Das Material Kunststoff bietet oft korrosionsbeständige Eigenschaften und ist gleichzei tig im Betriebsverhalten nicht träge. In der DE 102014226525 A1 wird ein Laufrad aus einer leichten Polymermatrix beschrieben. Jedoch sind Kunststoffe im Vergleich zu Gusswerkstoffen wesentlich weicher und wenig abrasionsbeständig.

Aufgabe der Erfindung ist es eine Kreiselpumpe mit einer Schaufelanordnung anzuge ben, die beständig gegen Abrasion sowie Korrosion ist und dabei gleichzeitig ein nicht träges Betriebsverhalten aufweist. Dabei soll die Schaufelanordnung einfach, kosten günstig und schnell erzeugt werden können. Weiterhin soll die Schaufelanordnung be sonders leicht sein und dennoch optimale Strömungskonturen aufweisen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kreiselpumpe mit einer Schaufelan ordnung und ein Verfahren zu dessen Herstellung gelöst. Bevorzugte Varianten sind den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen.

Erfindungsgemäß weist die Schaufelanordnung Zelleinheiten auf, die Hohlräume um schließen. Diese Zelleinheiten werden von abrasions- und korrosionsbeständigen Wän den gebildet.

Eine Schaufelanordnung im Sinne der Erfindung ist bevorzugt als Laufrad oder als Leit einrichtung ausgeführt.

Zelleinheiten sind Elemente bzw. Segmente eines Musters aus flächig angeordneten, von begrenzenden Wänden umschlossenen Hohlräumen. Vorteilhafterweise sind die Zelleinheiten lückenlos aneinander angeordnet und weisen dabei ein günstiges Verhält nis von Wandmaterial zu Volumen auf. Die Zelleinheiten eignen sich hervorragend für Leichtbau-Konstruktionen, die gleichzeitig stabilisierend ausgebildet sind. Eine Zellein heit bzw. ein Segment ist ein Teil eines Ganzen und somit ergibt das Zusammensetzen, insbesondere das Zusammenaufbauen, von Segmenten bzw. Zelleinheiten eine ganze Schaufelanordnung.

Ein Hohlraum ist ein mathematisches, physikalisches bzw. technisches Objekt, das ein Volumen aufweist. Ein in einer Struktur eingeschlossenes Volumen, beispielsweise durch Zelleinheiten, kann ein Hohlraum sein. Dabei verändert die Existenz von Hohlräu men oft die umliegende Struktur hinsichtlich Festigkeit, Masse und Elastizität.

Gemäß der Erfindung sind die Zelleinheiten unmittelbar nebeneinander angeordnet, wodurch eine Schaufelanordnung mit hoher Festigkeit ohne Lücken entsteht. Dies ist insbesondere vorteilhaft, da abrasiven Fluiden keine Angriffsfläche an unterbrochenen Wänden und/oder Lücken von Zelleinheiten geboten wird.

Idealerweise teilen sich unmittelbar nebeneinander angeordnete Zelleinheiten gemein sam Wände. Dies führt zu einer besonders stabilen und gleichzeitig äußerst leichten Ausgestaltung einer Schaufelanordnung.

Eine Wand im erfindungsgemäßen Sinne bezeichnet ein flächenmäßiges Gebilde, das einen Hohlraum abgrenzt. Durch eine strömungsoptimierte Anordnung in Kombination mit einer konstruktiv optimierten Anordnung von Wänden wird eine äußerst stabile Schaufelanordnung erzielt, die hinsichtlich der Strömungskontur optimal gestaltet ist und dabei auf ein Minimum an Masse reduziert ist. Bei der Ausbildung der Schaufelan ordnung wird dadurch ein Maximum an Werkstoffmaterial im Vergleich zu konventionel len Schaufelanordnungen, die durch Guss erzeugt werden, eingespart.

Vorzugsweise bilden die Zelleinheiten eine wabenartige Struktur der Schaufelanord nung. Die Waben können dabei rund, eckig und/oder trapezförmig ausgebildet sein. Sie sind direkt nebeneinander angeordnet und können ideal nach den Ergebnissen einer Strömungs- und Konstruktionsoptimierung ausgebildet sein. Die Wabenstruktur bildet die Basis der als Leichtbau-Konstruktion ausgebildeten Schaufelanordnung.

Vorteilhafterweise umschließen die Wände der Zelleinheiten die Hohlräume vollständig. Die so ausgebildete Schaufelanordnung weist vorzugsweise keine offen zugänglichen Hohlräume auf, die eine Fluidströmung und das Trägheitsverhalten der Schaufelanord nung negativ beeinflussen könnten. Die Strömungskontur der Schaufelanordnung für Kreiselpumpen wird hierdurch optimal ausgestaltet.

In einer alternativen Variante der Erfindung umschließen nicht alle Wände der Zellein heiten die Hohlräume vollständig. Dies ist insbesondere bei Leiteinrichtungen, vorzugs weise bei Leiträdern, vorteilhaft zur Ausbildung von strömungsführenden und/oder strö mungsleitenden Zelleinheiten, wodurch der Wirkungsgrad der Kreiselpumpe insgesamt vorteilhaft beeinflusst wird. Vorzugsweise sind alle Wände der Zelleneinheiten von der Trägereinheit und den Schaufeln sowie gegebenenfalls von der Deckscheibe einstückig ausgebildet. Die Ein stückigkeit wird durch ein generatives Fertigungsverfahren erzielt, wodurch sich beson ders schnell und präzise Wände, die Hohlräume umschließen, ausbilden lassen.

In einerweiteren Variante der Erfindung sind die Wände der Zelleinheiten, der Trä gereinheit und der Deckscheibe mehrstückig ausgeführt. In einer solchen Ausführungs variante sind die Wände der Zelleinheiten der Schaufeln generativ auf einer konventio nell gefertigten Tragscheibe aufgebracht. Dadurch können individuell angeordnete und designte Schaufeln auf einer in Massenfertigung erzeugten Tragscheibe aufgedruckt und spezielle, kundenspezifische Anforderungen berücksichtigt werden. Aufgrund der Leichtbau-Konstruktion der Schaufeln erscheint die Trägheit des gesamten Laufrads deutlich geringer als bei vollständig massiv ausgeführten Laufrädern.

Bei einer Variante der Erfindung sind alle Wände der Zelleinheiten von der Trägerein heit und den Schaufeln mehrstückig und/oder in einer Hybridbauweise ausgebildet.

Die Schaufelanordnung, in aus Zelleinheiten bestehender Leichtbau-Konstruktion, wird erfindungsgemäß mit einem generativen Fertigungsverfahren erzeugt. Die Bezeichnung generatives Fertigungsverfahren umfasst alle Fertigungsverfahren, bei denen Material Schicht für Schicht aufgetragen wird und somit dreidimensionale Bauteile, insbesondere Laufräder und/oder Leiteinrichtung, erzeugt werden. Dabei erfolgt der schichtweise Auf bau computergesteuert aus einem oder mehreren flüssigen oder festen Werkstoffen nach vorgegebenen Maßen und Formen. Beim Aufbau finden physikalische oder chemi sche Härtungs- oder Schmelzprozesse statt. Typische Werkstoffe für das „3D-Drucken“ sind Kunststoffe, Kunstharze, Keramiken, Metalle, Carbon- und Graphitmaterialien.

Gemäß der Erfindung ist die Schaufelanordnung für eine Kreiselpumpe generativ gefer tigt ausgebildet. Für die Ausbildung der Zelleinheiten und Wände der Schaufelanord nung werden insbesondere das selektive Laserschmelzen und das Cladding, auch be kannt als Auftragsschweißen, angewandt. In einer alternativen Variante der Erfindung ist auch das Kaltgasspritzen und das Extrudieren in Kombination mit dem Aufträgen von schmelzfähigem Kunststoff ein anwendbares Verfahren.

Beim Auftragsschweißen oder Cladding werden die Zelleinheiten der Schaufelanord nung nach einem Verfahren hergestellt, das eine Grundstruktur durch Schweißen be schichtet. Das Auftragsschweißen baut dabei durch einen Schweißzusatzwerkstoff in Form von einem Draht oder einem Pulver ein Volumen auf, das eine besonders filigrane und strömungsoptimierte Form der Schaufelanordnung realisiert.

Beim selektiven Laserschmelzen wird der metallische Aufbauwerkstoff in Pulverform in einer dünnen Schicht auf eine Platte aufgebracht. Der pulverförmige Werkstoff wird mit tels Strahlung an den jeweils gewünschten Stellen lokal vollständig aufgeschmolzen und bildet nach der Erstarrung eine feste Materialschicht. Anschließend wird diese Grundplatte um den Betrag einer Schichtdicke abgesenkt und es wird erneut Pulver auf getragen. Dieser Zyklus wird solange wiederholt, bis alle Schichten aufgeschmolzen sind. Die fertige Schaufelanordnung wird vom überschüssigen Pulver gereinigt.

Als Strahlung kann beispielsweise ein Laserstrahl zum Einsatz kommen, welcher die Schaufelanordnung aus den einzelnen Pulverschichten generiert. Die Daten zur Füh rung des Laserstrahls werden auf Grundlage eines 3D-CAD-Körpers mittels einer Soft ware erzeugt. Alternativ zu einem selektiven Laserschmelzen kann auch ein Elektro nenstrahl (EBM) zum Einsatz kommen.

In einer besonders vorteilhaften Variante der Erfindung wird die Fluidkontaktfläche der Schaufelanordnung aus einem Aufbaumaterial durch aufeinanderfolgendes Schmelzen und Erstarren von Schichten mittels Strahlung hergestellt. Die unterschiedlichen Eigen schaften der Bereiche einer Zelleinheit werden dabei durch Variationen der Strahlung generiert. Durch gezielte Steuerung der lokalen Wärmeeinbringung wird bereits beim Bau der Schaufelanordnung eine Modifizierung der Werkstoffeigenschaften vorgenom men. Dadurch gelingt es, in einem Bereich der Wände und der Zelleinheiten Zonen und Gefüge unterschiedlicher Werkstoffzustände eines chemisch-homogenen Werkstoffs und damit unterschiedlicher Eigenschaften zu erzeugen. Die Schaufelanordnung kann in einer Variante der Erfindung aus unterschiedlichem Aufbaumaterial gebildet werden. Das Aufbaumaterial umfasst vorzugsweise metallische Pulverteilchen, insbesondere niedriglegierte und/oder hochlegierte Stahlpulverteilchen und/oder schmelzfähigen Kunststoff und/oder einen Metall-Polymer-Hybridwerkstoff.

Vorzugsweise handelt es sich bei dem Aufbaumaterial zur Herstellung der Fluidkontakt fläche, insbesondere der Strömungskontur der Schaufelanordnung, um metallische Pul verteilchen. Bei einer Variante der Erfindung werden dazu eisenhaltige und/oder co- baldhaltige Pulverpartikel eingesetzt. Diese können Zusätze wie beispielsweise Chrom, Molybdän oder Nickel enthalten. Die Schaufelanordnung ist dadurch besonders abrasi- ons- und korrosionsbeständig ausgebildet.

Erfindungsgemäß werden die Zelleinheiten der Schaufelanordnung in einem additiven Fertigungsverfahren gebildet. Die 3D-Form der Wände und der Zelleinheiten sind in ei ner Software als Datensatz hinterlegt. An den Stellen, an denen die Wände ausgebildet werden sollen, können Werkzeuge unterschiedlicher additiver Verfahren wirken und Schicht für Schicht additiv ausbilden. Vorteilhafterweise kann für jede Schicht nachei nander oder gleichzeitig der geeignete Aufbauprozess für jedes Aufbaumaterial ausge führt werden, so dass eine komplexe Schaufelanordnung aus unterschiedlichen Werk stoffen entsteht, deren Zelleinheiten optimal und auch individuell an die Anforderungen des späteren Einsatzes angepasst sind.

In einer Variante der Erfindung wird die Wabenstruktur mit einem Schmelzschicht-Werk zeug des additiven Fertigungsverfahrens erzeugt, bei dem aus schmelzfähigem Kunst stoff ein Raster von Punkten auf eine Fläche aufgetragen wird. Durch Extrudieren mit tels einer Düse sowie einer anschließenden Erhärtung durch Abkühlung an der ge wünschten Position wird ein tragfähiger Aufbau, insbesondere in Form von Zelleinheiten und/oder in Form einer Wabenstruktur, erzeugt. Indem der stützende Bereich einer Schaufelanordnung hohlraumbildend mit besonders tragfähiger Struktur erzeugt wird, weist eine Schaufelanordnung eine enorme Festigkeit bei gleichzeitig sehr geringer Masse auf. Der Aufbau einer Schaufelanordnung erfolgt üblicherweise, indem wieder holt jeweils zeilenweise eine Arbeitsebene abgefahren und dann die Arbeitsebene sta pelnd nach oben verschoben wird, sodass der stützende Bereich einer Schaufelanord nung entsteht.

Gemäß der Erfindung weisen die Wände eine Dicke von weniger als 3 mm, vorzugs weise weniger als 2 mm, insbesondere weniger als 1 mm, auf. Vorteilhafterweise sind die Wände besonders dünn ausgebildet, wodurch der Effekt der Leichtbau-Konstruktion nochmals verstärkt wird.

Um eine besonders stabile Schaufelanordnung bei möglichst geringer Masse zu erzie len, sind innerhalb der Zelleinheiten und/oder zwischen benachbarten Zelleinheiten Ver stärkungsrippen angeordnet. Idealerweise können die Wände besonders dünn und die Schaufelanordnung möglichst leicht ausgestaltet sein, wobei die Stabilität durch exakt platzierte Verstärkungsrippen optimal realisiert ist.

Vorzugsweise sind die Zelleinheiten, insbesondere der Trag- und der Deckscheibe, ra dial und/oder in Umfangsrichtung ausgerichtet. Diese Art der Anordnung und Ausrich tung unterstützt die Reduktion der Anzahl an Wänden, wodurch das Laufrad oder die Leiteinrichtung besonders leicht ausgebildet werden kann.

Erfindungsgemäß bilden die Außenwände der Zelleinheiten die Fluidkontaktfläche der Schaufelanordnung. Diese sind durch eine CFD-Simulation optimal an die Verwen dungsanforderungen angepasst und durch die generative Fertigung individuell sowie schnell zu produzieren.

Vorteilhafterweise sind die Wände und/oder die Verstärkungsrippen aus einem metalli schen Werkstoff erzeugt, der Legierungsbestandteile aufweisen kann, so dass eine Leichtbau-Schaufelanordnung mit besonders abrasions- und korrosionsbeständigen Ei genschaften ausgebildet werden kann. Alternativ können auch Kunststoffe oder kerami sche Werkstoffe eingesetzt werden. Bei einer Variante der Erfindung werden die Wände und/oder die Verstärkungsrippen aus einer Werkstoffkombination erzeugt und somit als Hybridwerkstoff ausgebildet.

In einer alternativen Variante der Erfindung sind die Hohlräume der Zelleinheiten mit ei nem Füllstoff ausgefüllt. Vorzugsweise ist der Füllstoff als leichter Kunststoff ausgeführt, so dass sich die Stabilität der Schaufelanordnung erhöht und gleichzeitig die Masse der Schaufelanordnung gering bleibt.

Gemäß der Erfindung kann die Schaufelanordnung, die als Laufrad ausgeführt ist, eine Deckscheibe umfassen, die aus Zelleinheiten gebildet ist. Diese Zelleinheiten bestehen aus Wänden, die Hohlräume umschließen. Vorteilhafterweise ist dadurch das komplette Laufrad als Leichtbau-Konstruktion ausgebildet, wodurch das Laufrad eine enorme Sta bilität bei sehr geringer Masse aufweist.

Idealerweise ist aufgrund der Leichtbau-Konstruktion der Schaufelanordnung die soge nannte Druckzeit der additiven Fertigung äußerst gering. Dadurch wird die generative Herstellung der Schaufelanordnung besonders ökonomisch interessant und im Ver gleich zu Herstellung mittels Gießens deutlich konkurrenzfähiger.

Darüber hinaus ist die individuelle Gestaltung der Schaufelgeometrie, der Strömungs kontur und der Anordnung der Verstärkungsrippen besonders vorteilhaft. Im Vergleich zu einem Gusslaufrad muss keine Nacharbeit zur Anpassung an kundenspezifische An forderungen oder eine anlagenspezifische Anpassung an die Schaufelanordnung vorge nommen werden. Die Schaufelanordnung kann optimiert an den Verwendungszweck konstruiert und individuell gefertigt werden, ohne dass die Kosten für eine individuelle Gussform inklusive aufwendiger Nacharbeit entstehen.

Gemäß der Erfindung kann vorzugsweise auf eine Lagerhaltung einer Vielzahl von Laufrädern bzw. Leiteinrichtungen verzichtet werden. Die vorhandenen Konstruktions daten eines Laufrads bzw. einer Leiteinrichtung können bei Bedarf zur direkten genera tiven Nachfertigung eingesetzt werden, wodurch die mittelbaren Kosten der Lagerhal tung entfallen. Idealerweise kann durch die Leichtbau-Konstruktion einer Schaufelanordnung aus Zel leinheiten ein interessanter Prototyp in einer enorm kurzen Zeitspanne realisiert und in Testanlagen getestet werden. Dadurch lässt sich die Entwicklungszeit neuer Laufräder bzw. Leiteinrichtungen vorteilhaft verkürzen.

Erfindungsgemäß kann die Schaufelanordnung in Leichtbau-Konstruktion für Anwen dungen verwendet werden, bei denen leichte und nicht träge Schaufelanordnungen ganz neue Einsatzperspektiven eröffnen. Vorzugsweise eignet sich die erfindungsge mäße Schaufelanordnung für die Verwendung in Strömungspumpen bei Mikrodosieran- Wendungen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen und aus den Zeichnungen selbst. Dabei zeigt:

Fig. 1 einen mittigen Schnitt der erfindungsgemäßen Schaufelanordnung,

Fig. 2 eine Schnittdarstellung der Schaufeln,

Fig. 3 eine Darstellung der Querschnittsfläche einer Trägereinheit.

In der Fig. 1 ist ein mittiger Schnitt durch die erfindungsgemäße Schaufelanordnung 8 dargestellt, die in diesem Ausführungsbeispiel als Laufrad ausgebildet ist. Die Trä- gereinheit 1 und die Deckscheibe 7 weisen Zelleinheiten 5 auf, die Hohlräume 4 um schließen. Die Zelleinheiten 5 werden von Wänden 3 gebildet, an denen teilweise Ver stärkungsrippen 6 angeordnet sind.

In diesem Ausführungsbeispiel sind die Wände 3 generativ aus korrosionsbeständigen Legierungspartikeln erzeugt, die mittels Energieeintrag durch Strahlung modifiziert aus gebildet sind. Dadurch sind die Oberflächen des Laufrades besonders abrasionsbestän- dig ausgeführt. Das Laufrad ist vollständig aus Zelleinheiten 5 in Form von Hohlraum segmenten aufgebaut. Somit ist das Laufrad besonders leicht und im Betriebsverhalten nicht träge. Fig. 2 zeigt einen Schnitt der Schaufeln 2 der Schaufelanordnung 8, die in diesem Aus führungsbeispiel als Laufrad ausgeführt ist. Die Schaufeln 2 weisen Zelleinheiten 5 auf, die Hohlräume 4 umschließen. Die Zelleinheiten 5 werden von Wänden 3 gebildet. An besonders beanspruchten Stellen des Laufrads sind an den Wänden 3 Verstärkungsrip pen 6 angeordnet. Die Wände 3 der Schaufeln 2 sind in diesem Ausführungsbeispiel besonders strömungsoptimiert ausgebildet und weisen eine Dicke von weniger als

3 mm, vorzugsweise weniger als 2 mm, insbesondere weniger als 1 mm, auf. Das Lauf rad mit den Schaufeln 2 ist dadurch besonders leicht ausgeführt. Dabei teilen sich be nachbarte Zelleinheiten 5 gemeinsam Wände 3, wodurch die Wände 3 der Schaufeln 2 und der Trägereinheit 1 insgesamt einstückig ausgebildet sind.

In Fig. 3 ist ein Schnitt der Trägereinheit 1 einer Schaufelanordnung 8 dargestellt. Die Trägereinheit 1 weist Zelleinheiten 5 auf, die Hohlräume 4 umschließen. Die Zelleinhei ten 5 werden aus Wänden 3 gebildet, an die teilweise Verstärkungsrippen 6 angeordnet sind. Dabei sind die Zelleinheiten 5 radial und in Umfangsrichtung ausgerichtet.