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Title:
METHOD FOR PRODUCING A SINTERED HYBRID COMPONENT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2021/185606
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method for producing a sintered hybrid component, having the steps of: producing the component (1, 10) in a green, brown, or sintered state, said production process including the process of producing a green body of the component in an injection molding process using an injection moldable powder-binder mixture; modifying the component (1, 10) by applying material (2) onto the component using an additive manufacturing process, wherein the material applied by means of the additive manufacturing process consists of a powder-binder mixture, from which the binder can be removed and which can be sintered; removing the binder from the modified component; and sintering the modified component in order to provide a sintered hybrid component (3).

Inventors:
HORKE KATHARINA (DE)
Application Number:
PCT/EP2021/055706
Publication Date:
September 23, 2021
Filing Date:
March 08, 2021
Export Citation:
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Assignee:
ROLLS ROYCE DEUTSCHLAND LTD & CO KG (DE)
International Classes:
B22F1/00; B22F3/10; B22F3/15; B22F3/22; B22F5/04; B22F7/06; B22F10/16; B22F10/18; B22F10/40; B22F10/64; B28B1/00; B28B1/24; B33Y10/00; C04B35/645; B33Y80/00
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Claims:
Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines gesinterten hybriden Bauteils, das die Schritte umfasst:

Herstellen eines Bauteils (1, 10) im Grün-, Braun- oder Sinterzustand, wobei das Herstellen die Herstellung eines Grünlings des Bauteils durch Spritzgießen mit einem spritzgussfähigen Pulver-Binder-Gemisch umfasst,

Modifizieren des Bauteils (1, 10) durch Aufträgen eines Materials (2) auf das Bauteil mittels eines additiven Fertigungsverfahrens, wobei das mittels des additiven Fertigungsverfahrens aufgetragene Material aus einem Pulver-Binder- Gemisch besteht, das entbinderbar und sinterbar ist,

Entbindern des modifizierten Bauteils, und

Sintern des modifizierten Bauteils zur Bereitstellung eines gesinterten hybriden Bauteils (3).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (1, 10) im Grünzustand durch das additive Fertigungsverfahren modifiziert wird, wobei das Bauteil im Grünzustand und das aufgetragene Material gemeinsam entbindert und gesintert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (1, 10) im Braunzustand durch das additive Fertigungsverfahren modifiziert wird, wobei nach Aufträgen des Materials auf das Bauteil im Braunzustand das aufgetragene Material entbindert und anschließend der dabei entstandene hybride Bräunling gesintert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (1, 10) im Sinterzustand durch das additive Fertigungsverfahren modifiziert wird, wobei nach Aufträgen des Materials das aufgetragene Material entbindert und gesintert wird.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (1) durch Anbringen einer zusätzlichen Struktur (21, 25) an dem Bauteil modifiziert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Struktur (21, 22) eine Rast-, Positionier- und/oder Verbindungsstruktur des Bauteils bereitstellt.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (1, 10) durch schichtweises Aufbringen einer Mehrzahl von Schichten (20) auf mindestens eine Oberfläche des Bauteils modifiziert wird, wobei die Schichten (20) mittels des additiven Fertigungsverfahrens sequentiell auf die Oberfläche aufgebracht werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des additiven Fertigungsverfahrens eine Schicht (20), die einen Oxidationsschutz, Korrosionsschutz oder Erosionsschutz bereitstellt, auf das Bauteil aufgebracht wird.

9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (1) durch Anbringen einer additiv gefertigten Komponente (2) an dem Bauteil modifiziert wird, die das Bauteil (1) mit einem weiteren Bauteil (6) verbindet.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die additiv gefertigte Komponente (2) unter Verwendung einer entfernbaren Stützstruktur (5) an dem Bauteil (1) angebracht wird, wobei die Stützstruktur (6) als Abstandshalter zwischen dem Bauteil (1) und den weiteren Bauteil (6) dient.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (1) und das weitere Bauteil (1) zusätzlich direkt gefügt werden.

12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das gesinterte hybride Bauteil (3) heißisostatisch gepresst und/oder wärmebehandelt wird.

13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das im additiven Fertigungsverfahren verwendete Pulver-Binder-Gemisch das gleiche Pulver-Binder-Gemisch ist, mit dem das Bauteil durch Spritzgießen hergestellt worden ist.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das im additiven Fertigungsverfahren verwendete Pulver-Binder-Gemisch ein anderes Pulver-Binder-Gemisch ist als das, mit dem das Bauteil durch Spritzgießen hergestellt worden ist.

15. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das im additiven Fertigungsverfahren verwendete Pulver-Binder-Gemisch als Schmelzfilament für einen 3D-Druck bereitgestellt wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das im additiven Fertigungsverfahren verwendete Pulver-Binder-Gemisch in einem Extruder aufgeschmolzen, durch eine Düse gepresst und selektiv auf das Bauteil aufgetragen wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das im additiven Fertigungsverfahren verwendete Pulver-Binder-Gemisch als Pulverbett bereitgestellt, durch einen Laser selektiv aufgeschmolzen und zum Erstarren gebracht wird.

18. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (1, 10) im Grün-, Braun- oder Sinterzustand vor seiner Modifikation vermessen wird.

19. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (1, 10) im Grün-, Braun- oder Sinterzustand zwecks seiner Modifikation durch ein additives Fertigungsverfahren in eine Anlage zur additiven Fertigung eingelegt, ein 3D-CAD-Modell zur Modifikation des Bauteils erstellt und das Bauteil anschließend mittels des Pulver-Binder-basierten additiven Fertigungsverfahrens entsprechend dem erstellten 3D-CAD-Modell modifiziert wird.

20. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als hybrides Bauteil (3) eine Komponente eines Gasturbinentriebwerks hergestellt wird.

Description:
Verfahren zur Herstellung eines gesinterten hybriden Bauteils

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines gesinterten hybriden Bauteils.

Pulverspritzgussverfahren (auch als PIM (PIM = „Powder Injection Molding“) bezeichnet) sind grundsätzlich bekannt. Sie umfassen zum einen den Metallpulverspritzguss (MIM = „Metal Injection Moulding“) und zum anderen den keramischen Pulverspritzguss (CIM = „Ceramic Injection Moulding“). Pulverspritzgussverfahren werden bei hohen Stückzahlen des herzustellenden Bauteils eingesetzt. Für Einzelteile oder Kleinserien sind sie weniger geeignet.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Pulverspritzgussverfahren derart anzupassen, dass es auch zur Herstellung von Einzelteilen und Kleinserien geeignet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Danach stellt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines gesinterten hybriden Bauteils bereit, bei dem in einem ersten Schritt ein Bauteil im Grün-, Braun- oder Sinterzustand hergestellt wird, wobei das Herstellen die Herstellung eines Grünlings des Bauteils durch Spritzgießen mit einem spritzgussfähigen Pulver-Binder-Gemisch umfasst. Bei dem verwendeten Pulver kann es sich um Metallpulver und/oder Keramikpulver einschließlich Pulver aus Hartmetall und/oder Cermets handeln, das mit einem Binder vermischt ist.

In einem weiteren Schritt wird das Bauteil durch Aufträgen eines Materials mittels eines additiven Fertigungsverfahrens modifiziert, wobei das mittels des additiven Fertigungsverfahrens aufgetragene Material aus einem Pulver-Binder-Gemisch besteht, das entbinderbar und sinterbar ist. Anschließend erfolgen ein Entbindern des modifizierten Bauteils sowie ein Sintern des modifizierten Bauteils zur Bereitstellung eines gesinterten hybriden Bauteils.

Die vorliegende Erfindung beruht auf dem Gedanken, ein über ein Pulverspritzgussverfahren hergestelltes Bauteil unter Verwendung eines additiven Fertigungsverfahrens zu modifizieren, um weitere Strukturen und Funktionen des Bauteils bereitzustellen. Die Modifikation durch ein additives Fertigungsverfahren ermöglicht dabei eine Individualisierung der im Pulverspritzgussverfahren hergestellten Bauteile und erlaubt dadurch, auf der Grundlage des Pulverspritzgussverfahrens auch Einzelteile und Kleinserien zu realisieren.

Dabei sieht die Erfindung vor, dass das mittels des additiven Fertigungsverfahrens aufgetragene Material ebenso wie der durch Pulverspritzguss hergestellte Grünling ein Entbindern und Sintern erfährt. Das im additiven Fertigungsverfahren eingesetzte Material besteht dementsprechend aus einem Pulver-Binder-Gemisch, das geeignet ist, entbindert und gesintert zu werden.

Die erfindungsgemäße Kombination eines Pulverspritzgussverfahrens und eines additiven Fertigungsverfahrens erlaubt die Bereitstellung einer besseren Oberflächengenauigkeit des hergestellten Bauteils verglichen mit einem rein additiven Fertigungsverfahren. Darüber hinaus können über das Pulverspritzgussverfahren Hohlstrukturen, beispielsweise Kühl Strukturen in einer Turbinenschaufel mit besserer Oberflächengüte bereitgestellt werden, als dies mit einem rein additiven Fertigungsverfahren möglich ist. Über das additive Fertigungsverfahren kann eine Individualisierung und Funktionserweiterung der im Pulverspritzgussverfahren hergestellten Bauteile erfolgen. Es wird darauf hingewiesen, dass ein Pulverspritzgussverfahren kein additives Fertigungsverfahren im Sinne der vorliegenden Erfindung darstellt. Die Erfindung sieht somit nicht vor, ein über ein Pulverspritzgussverfahren hergestelltes Bauteil mittels eines weiteren Pulverspritzgussverfahrens zu modifizieren. Die Modifikation des Bauteils erfolgt vielmehr über ein additives Fertigungsverfahren, bei dem Material Schicht für Schicht auf das Bauteil aufgetragen wird.

Ein Beispiel für das eingesetzte additive Verfahren ist das sogenannte „Fused Feedstock Deposition“ (FFD), bei dem der durch das Pulver-Binder-Gemisch gebildete Feedstock direkt in einem Extruder aufgeschmolzen, als Paste durch eine Düse gepresst und selektiv auf das mittels eines Pulverspritzgussverfahrens hergestellte Bauteil aufgetragen wird.

Ein weiteres Beispiel für das eingesetzte additive Verfahren ist das sogenannte „Fused Deposition Modeling“ (FDM) oder „Fused Filament Fabrication“ (FFF), bei dem ein schmelzfähiges Filament aus Pulver-Binder-Gemisch durch eine beheizbare Düse gepresst, aufgeschmolzen und selektiv auf das mittels eines Pulverspritzgussverfahrens hergestellte Bauteil aufgetragen wird.

Ein weiteres Beispiel für das eingesetzte additive Verfahren ist das sogenannte „Cold Metal Fusion“-Verfahren (CMF), bei dem es sich um einen selektiven Lasersinterprozess handelt. Dabei wird als Pulverbett der durch das Pulver-Binder-Gemisch gebildete Feedstock verwendet. Durch selektives Aufschmelzen/Erstarren des Pulverbetts wird Material schichtweise auf das spritzgegossene Bauteil aufgetragen. Das spritzgegossene Bauteil kann dabei in das Pulverbett integriert werden, um Zusatzstrukturen aufzubringen.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel sieht vor, dass das im additiven Fertigungsverfahren verwendete Pulver-Binder-Gemisch durch Aufrakeln und anschließendes Konsolidieren der Pulver-Binder-Schichten auf das Bauteil aufgebracht wird.

Die genannten Verfahren zeichnen sich durch ein schichtweises Aufträgen eines Materials auf das mittels eines Pulverspritzgussverfahrens hergestellte Bauteil unter Verwendung eines additiven Verfahrens aus.

Das Bauteil wird im ersten Verfahrensschritt im Grün-, Braun- oder Sinterzustand hergestellt, also als Grünteil, Braunteil oder gesintertes Teil. Abhängig davon ist es erforderlich oder nicht mehr erforderlich, nach Aufträgen von Material mittels des additiven Fertigungsverfahrens das Bauteil zu entbindern und zu sintern. Hierbei sind drei Fälle zu betrachten.

Wenn das Bauteil im Grünzustand durch das additive Fertigungsverfahren modifiziert wird, so liegen das Bauteil und seine Modifikation gemeinsam im Grünzustand vor. Durch die Modifikation entsteht ein hybrider Grünling. Dieser hybrider Grünling, d. h. das Bauteil im Grünzustand und das aufgetragene Material werden gemeinsam entbindert und gesintert, wobei ein gesintertes hybrides Bauteil entsteht.

Wenn das Bauteil im Braunzustand durch das additive Fertigungsverfahren modifiziert wird, wird nach Aufträgen des Materials auf das Bauteil nur das aufgetragene Material entbindert, da das im Spritzgussverfahren hergestellte Bauteil sich ja bereits im Braunzustand befindet, also bereits entbindert wurde. Dies schließt nicht aus, dass das modifizierte Bauteil insgesamt dem Prozess des Entbinderns unterzogen wird, der beispielsweise ein chemisches Herauslösen des Binders oder ein thermisches Austreiben des Binders umfasst. Da das im Spritzgussverfahren hergestellte Bauteil bereits entbindert wurde, erfolgt tatsächlich lediglich ein Entbindern des mittels des additiven Fertigungsverfahrens aufgetragenen Materials. Alternativ kann vorgesehen sein, dass Gegenstand der Verfahrensschritte zum Entbindern nur das mittels des additiven Fertigungsverfahrens aufgetragenen Material ist.

Durch das Entbindern des aufgetragenen Materials entsteht ein hybrider Bräunling (auch als Braunteil oder Bräunling bezeichnet), der das im Spritzgussverfahren hergestellte Bauteil und das aufgetragene Material im Braunzustand umfasst. Dieser hybrider Bräunling wird anschließend unter Entstehung eines gesinterten hybriden Bauteils gesintert.

Es wird darauf hingewiesen, dass Varianten des Entbinderns existieren, bei denen mehrere Binderkomponenten sequenziell entfernt werden. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass der Binder eine erste Binderkomponente aufweist, die durch Lösungsmittel entfernt wird und eine zweite Binderkomponente aufweist, die thermisch entfernt wird. Bei solchen Varianten wird das Bauteil bereits dann als Bräunling bezeichnet, wenn nur eine Binderkomponente entfernt wurde.

Dabei kann in solchen Fällen des mehrfachen Entbinderns vorgesehen sein, dass die Modifikation des Bauteils durch das additive Fertigungsverfahren erfolgt, nachdem die erste Binderkomponente entfernt worden ist oder nachdem beide bzw. sämtliche Binderkomponenten entfernt worden sind. Noch nicht entfernte Binderkomponenten werden dabei ebenfalls bei dem Prozess des Entbinderns des aufgetragenen Materials entfernt.

Wenn das Bauteil im Sinterzustand durch das additive Fertigungsverfahren modifiziert wird, wird nach Aufträgen des Materials nur das aufgetragene Material entbindert und gesintert. Dies schließt wiederum nicht aus, dass beim Entbinderns und Sintern auch das bereits gesinterte Bauteil die entsprechenden Prozesse noch einmal durchläuft. Alternativ kann vorgesehen sein, dass Gegenstand der Verfahrensschritte zum Entbindern und Sintern nur das mittels des additiven Fertigungsverfahrens aufgetragenen Material ist.

Es entsteht wiederum ein gesintertes hybrides Bauteil, das das im Spritzgussverfahren hergestellte Bauteil und das aufgetragene Material im Sinterzustand umfasst.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Bauteil durch Anbringen einer zusätzlichen Struktur an dem Bauteil modifiziert wird. Die zusätzliche Struktur impliziert dabei eine zusätzliche Funktion und/oder Eigenschaft des Bauteils. Ein Ausführungsbeispiel hierzu sieht vor, dass die zusätzliche Struktur eine Rast-, Positionier- und/oder Verbindungsstruktur des Bauteils bereitstellt.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Bauteil durch Aufbringen mindestens einer Schicht auf mindestens eine Oberfläche des Bauteils modifiziert wird. Insbesondere werden mehrere Schichten Schicht für Schicht aufgetragen. Dies ermöglicht insbesondere eine Änderung der Materialeigenschaften des Bauteils im Bereich der aufgetragenen neuen Oberfläche. Ein Ausgangsbeispiel hierzu sieht vor, dass mittels des additiven Fertigungsverfahrens eine Schicht auf das Bauteil aufgebracht wird, die einen Oxidationsschutz, Korrosionsschutz und/oder Erosionsschutz bereitstellt.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Bauteil durch Anbringen einer additiv gefertigten Komponente an dem Bauteil modifiziert wird, wobei die additiv gefertigte Komponente das Bauteil mit einem weiteren Bauteil verbindet. Die additiv gefertigte Komponente dient bei diesem Ausführungsbeispiel somit der Verbindung des Bauteils mit einem weiteren Bauteil. Dabei kann in Ausführungsvarianten vorgesehen sein, dass die additiv gefertigte Komponente unter Verwendung einer entfernbaren Stützstruktur an dem Bauteil angebracht wird, wobei die Stützstruktur zum einen als Abstandshalter zwischen dem Bauteil und dem weiteren Bauteil dient und zum anderen durch Bereitstellen einer Auflagefläche eine gewünschte Formgebung der additiv gefertigten Komponente ermöglicht. Die Stützstruktur wird nach Anbringen der additiv gefertigten Komponente wieder entfernt. Eine Ausführungsvariante hierzu sieht vor, dass das Bauteil und das weitere Bauteil zusätzlich direkt gefügt werden. Dies kann beispielsweise über Sinterfügen, Pasten oder durch Steckverbindungen erfolgen. Durch Aufbringen der additiven Komponente wird dabei eine weitere Fügeverbindung bereitgestellt. Die additive Komponente kann gegebenenfalls durch Ausbildung geeigneter Strukturen eine zusätzliche Funktionalisierung des Bauteils ermöglichen.

Ausgestaltungen der Erfindung sehen vor, dass das gesinterte hybride Bauteil heißisostatisch gepresst und/oder wärmebehandelt wird. Dies dient der weiteren Verdichtung des Bauteils und der Einstellung gewünschter Materialeigenschaften. Zusätzlich oder ergänzend kann vorgesehen sein, dass das gesinterte hybride Bauteil eine mechanische Nachbearbeitung erfährt, beispielsweise um Toleranzen zu reduzieren.

Bei dem im additiven Fertigungsverfahren verwendeten Pulver-Binder-Gemisch kann es sich um das gleiche Pulver-Binder-Gemisch handeln, mit dem das Bauteil im Grün-, Braun oder Sinterzustand hergestellt worden ist. Mit anderen Worten wird bei der additiven Fertigung der gleiche Feedstock verwendet, mit dem das Pulverspritzgussverfahren durchgeführt worden ist. Eine solche Ausgestaltung weist den Vorteil homogener Materialeigenschaften des hybriden Bauteils auf.

Alternativ kann vorgesehen sein, dass das im additiven Fertigungsverfahren verwendete Pulver-Binder-Gemisch ein anderes Pulver-Binder-Gemisch ist als das, mit dem das Bauteil im Grün-, Braun- oder Sinterzustand hergestellt worden ist.

Die bei der additiven Fertigung als Pulver-Binder-Gemische eingesetzten Materialien können einer großen Bandbreite von Materialien entnommen werden. Beispiele sind Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymere (ABS), Polyimide, Polyamid PA-6, Polyamid PA- 66, Polycarbonate (PC), Thermoplastisches Polyurethan (TPU), Polyethylenterephthalat (PET), Polypropylen (PP), Polylactide (PLA), ABS-PC, konventionell erhältliche MIM Feedstocks und MIM Feedstocks allgemein.

Das bei der additiven Fertigung eingesetzte Pulver-Binder-Gemisch wird beispielsweise in Form von Schmelzfilamenten bereitgestellt. Ein solches additives Fertigungsverfahren ist auch unter den Begriffen „Fused Deposition Modeling (FDM)“ und „Fused Filament Fabrication (FFF)“ bzw. als Strangablegeverfahren bekannt. Hierbei handelt es sich um ein 3D-Druckverfahren, bei dem ein Endlosfilament aus einem thermoplastischen Material verwendet wird.

Für die Erfindung geeignete Schmelzfilamente werden beispielsweise von der Firma BASF 3D Printing Solutions GmbH unter der Bezeichnung Ultrafuse® vertrieben. Hierbei handelt es sich um ein Filament zum 3D-Drucken eines Grünlings, wobei der Grünling nach dem 3D-Druck entbindert und anschließend gesintert wird. Das Ultrafuse® Filament beinhaltet thermoplastische Bindemittel mit 90 Massenprozent hochreiner Metallpartikel.

Die beim Pulverspritzgussverfahren eingesetzten Pulver können alle sinterbaren Metallpulver sein, z.B. Stahl, Pulver auf Eisenbasis, Pulver auf Nickelbasis, Pulver auf Kobaltbasis, Pulver aus Titan, Pulver aus Titanlegierungen, Pulver aus Kupfer und Pulver aus intermetallischen Phasen (z.B. TiAl, FeAl). Auch können die eingesetzten Pulver Keramikpulver sein, bestehend aus Oxidkeramiken und/oder aus Nicht-Oxidkeramiken.

Als Binder werden aus der Spritzgusstechnik bekannte Binder eingesetzt. Die Binder bestehen beispielsweise aus thermoplastischen Kunststoffen und/oder Wachsen, wobei dem Binder Additive wie z.B. Stabilisatoren, Dispergiermittel und Zusätze zur Förderung der Benetzbarkeit zugefügt sein können.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sehen vor, dass das Bauteil im Grün-, Braun- oder Sinterzustand vor seiner Modifikation zunächst vermessen wird. Das Bauteil wird dann im Grün-, Braun- oder Sinterzustand zwecks seiner Modifikation durch ein additives Fertigungsverfahren in eine Anlage zur additiven Fertigung eingelegt. Es wird ein 3D-CAD- Modell zur Modifikation des Bauteils erstellt und das Bauteil anschließend mittels des Pulver-Binder-basierten additiven Fertigungsverfahrens entsprechend dem erstellten 3D- CAD-Modell modifiziert.

Die vorliegende Erfindung wird in Ausführungsvarianten zur Herstellung von Komponenten eines Gasturbinentriebwerks eingesetzt. Darüber hinaus lässt sich die vorliegende Erfindung grundsätzlich auch auf andere technische Gebiete übertragen.

In einem weiteren Erfindungsaspekt betrifft die Erfindung ein Bauteil eines Gasturbinentriebwerks, das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt worden ist. Bei dem Bauteil handelt es sich beispielsweise um eine Turbinenkomponente.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 ein Ablaufdiagramm mit den Verfahrensschritten eines ersten Verfahrens zur Herstellung eines gesinterten hybriden Bauteils;

Figur 2 ein Ablaufdiagramm mit den Verfahrensschritten eines zweiten Verfahrens zur Herstellung eines gesinterten hybriden Bauteils;

Figur 3 ein Ablaufdiagramm mit den Verfahrensschritten eines dritten Verfahrens zur Herstellung eines gesinterten hybriden Bauteils;

Figur 4 eine Prinzipdarstellung eines hybriden Bauteils, das ein durch Metallpulverspritzgießen hergestelltes Bauteil und eine an diesem durch additive Fertigung hinzugefügte Komponente umfasst;

Figur 5 schematisch den lagenweisen Aufbau einer Funktionsschicht an Oberflächen einer durch Metallpulverspritzgießen hergestellten Kompressorschaufel eines Gasturbinentriebwerks mittels additiver Fertigung;

Figur 6 ein Ausführungsbeispiel, bei dem eine additiv gefertigten Komponente ein erstes Bauteil mit einem zweiten Bauteil verbindet, wobei die beiden Bauteile zusätzlich über eine erste Steckverbindung direkt miteinander verbunden sind;

Figur 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem eine additiv gefertigten Komponente ein erstes Bauteil mit einem zweiten Bauteil verbindet, wobei die beiden Bauteile zusätzlich über eine zweite Steckverbindung direkt miteinander verbunden sind;

Figur 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem eine additiv gefertigten Komponente ein erstes Bauteil mit einem zweiten Bauteil verbindet, wobei die beiden Bauteile zusätzlich über eine Steckverbindung direkt miteinander verbunden sind, und wobei die additiv gefertigte Komponente zusätzlich eine Zusatzstruktur ausbildet;

Figur 9 ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem eine additiv gefertigten Komponente ein erstes Bauteil mit einem zweiten Bauteil verbindet, wobei die beiden Bauteile zusätzlich über eine Steckverbindung direkt miteinander verbunden sind, und wobei die additiv gefertigten Komponente kleinere Abmessungen aufweist als die beiden Bauteile;

Figur 10 ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem eine additiv gefertigten Komponente ein erstes Bauteil mit einem zweiten Bauteil verbindet, wobei die beiden Bauteile durch einen entfernbaren Abstandhalter voneinander getrennt sind, der als ebene Stützstruktur für die aufzutragende additiv gefertigte Komponente dient, und

Figur 11 ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem eine additiv gefertigten Komponente ein erstes Bauteil mit einem zweiten Bauteil verbindet, wobei die beiden Bauteile durch einen entfernbaren Abstandhalter voneinander getrennt sind, der als gewölbte Stützstruktur für die aufzutragende additiv gefertigte Komponente dient.

Die Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines ersten Verfahrens zur Herstellung eines hybriden Bauteils, bei dem es sich beispielsweise um ein hybrides Bauteil eines Gasturbinentriebwerks eines Flugzeugs handelt. Das betrachtete hybride Bauteil ist beispielsweise eine Turbinenkomponenten des Gasturbinentriebwerks. Die Prinzipien der vorliegenden Erfindung können jedoch grundsätzlich auf beliebige Bauteile angewandt werden.

In einem ersten Verfahrensschritt 101 wird durch Metallpulverspritzgießen ein Grünling hergestellt. Der Begriff „Metallpulverspritzgießen“ wird dabei dahingehend verwendet, dass er auch den keramischen Pulverspritzguss mit umfasst. Zur Herstellung des Grünlings wird dabei zunächst ein Feedstock mit einem Pulver-Binder-Gemisch hergestellt und mit dem Pulver-Binder-Gemisch anschließend durch Spritzgießen ein Grünling, d. h. ein MIM- Bauteil im Grünzustand hergestellt.

Im folgenden Verfahrensschritt 102 wird der Grünling durch Aufträgen eines Pulver-Binder- Gemisches auf das Bauteil mittels eines additiven Fertigungsverfahrens modifiziert. Das für das additive Fertigungsverfahren eingesetzte Pulver-Binder-Gemisch ist dabei ebenfalls entbinderbar und sinterbar. Es kann sich um das gleiche Pulver-Binder-Gemisch handeln, dass beim Metallpulverspritzgießen eingesetzt wurde, oder um ein anderes Pulver-Binder-Gemisch. Vor der Durchführung der additiven Fertigung kann vorgesehen sein, dass das im Verfahrensschritt 101 hergestellte MIM-Bauteil zunächst exakt vermessen wird. Das Bauteil wird dann in eine Anlage zur additiven Fertigung eingelegt. Es wird weiter ein 3D- CAD Modell des modifizierten Bauteils bereitgestellt und die additive Fertigung zur Durchführung der Modifikation ausgeführt.

Bei dem additiven Fertigungsverfahren kann es sich grundsätzlich um ein beliebiges bekanntes additives Fertigungsverfahren handeln. Das Pulver-Binder-Gemisch wird beispielsweise in Form von Schmelzfilamenten (englisch: "Fused Filament Fabrication" - FFF) bereitgestellt, die aus einem thermoplastischen Material bestehen, das den Binder und das Pulver umfasst. Die Schmelzelemente werden durch einen beheizten Extruderkopf eines 3D-Druckers geführt und auf dem MIM-Bauteil abgelegt, wobei das aufgetragene Material in Schichten aufgetragen werden kann und die Dicke des aufgetragenen Materials sukzessive wächst. Der Extruderkopf des 3D-Druckers wird gemäß dem erstellten 3D-CAD Modell des modifizierten Bauteils computergesteuert bewegt, um die gedruckte Form zu definieren.

In alternativen Ausführungsvarianten wird als additives Verfahren „Fused Feedstock Deposition“ (FFD) eingesetzt, wobei der durch das Pulver-Binder-Gemisch gebildete Feedstock direkt in einem Extruder aufgeschmolzen, durch eine Düse gepresst und selektiv auf das Bauteil aufgetragen wird, oder ein „Cold Metal Fusion“-Verfahren (CMF) eingesetzt, wobei ein Pulverbett aus Pulver-Binder-Gemisch mittels Laser selektiv aufgeschmolzen wird und danach erstarrt.

Mit Aufträgen des Materials entsteht ein hybrider Grünling, der eine Grünlingskomponente durch das Metallpulverspritzgießen und eine Grünlingskomponente durch die additive Fertigung umfasst.

In Schritt 103 wird der hybrider Grünling unter Entstehung eines hybriden Bräunlings entbindert. Dies erfolgt durch Lösungsmittel und/oder thermisch (einschließlich einer katalytischen Entbinderung), abhängig vom verwendeten Bindersystem. Anschließend wird der hybride Bräunling in Schritt 104 unter Entstehung eines gesinterten hybriden Bauteils gesintert.

Optional schließt sich an den Schritt 104 eine Wärmebehandlung oder ein heiß isostatisches Pressen des gesinterten hybriden Bauteils an, um das Bauteil weiter zu verdichten. Ebenfalls optional ist eine mechanische Nachbearbeitung, beispielsweise um vorhandene Toleranzen zu reduzieren.

Die Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines zweiten Verfahrens zur Herstellung eines hybriden Bauteils. Zunächst wird in Schritt 201 ein Grünling durch Metallpulverspritzgießen hergestellt. Insofern wird auf die Erläuterungen zu Schritt 101 des Verfahrens der Figur 1 Bezug genommen. Anschließend wird der Grünling entbindert, wobei ein Bräunling des Bauteils entsteht.

In Schritt 203 wird der Bräunling durch Aufträgen eines Pulver-Binder-Gemisches auf den Bräunling mittels eines additiven Fertigungsverfahrens modifiziert. Der Schritt 203 entspricht, was die Durchführung der additiven Fertigung angeht, dem Schritt 102 des Verfahrens der Figur 1, so dass auf die diesbezüglichen Ausführungen Bezug genommen wird. Der Unterschied besteht darin, dass das Pulver-Binder-Gemisch im Rahmen der additiven Fertigung nicht wie bei der Figur 1 auf den Grünling, sondern auf den Bräunling aufgetragen wird.

Nachfolgend wird in Schritt 204 das mittels des additiven Fertigungsverfahrens aufgetragene Material entbindert. Hierzu kann vorgesehen sein, dass nur das aufgetragene Material mit einem Lösungsmittel und/oder thermisch (einschließlich einer katalytischen Entbinderung) beaufschlagt wird. Alternativ kann vorgesehen sein, dass das kombinierte Bauteil, also der durch Metallpulverspritzgießen hergestellte Bräunling und die additive Komponente mit einem Lösungsmittel und/oder thermisch (einschließlich einer katalytischen Entbinderung) beaufschlagt werden, wobei jedoch nur das mittels des additiven Fertigungsverfahrens aufgetragene Material tatsächlich entbindert wird, da der Bräunling bereits zuvor entbindert wurde. Durch das Entbindern entsteht ein hybrider Bräunling, der eine Bräunlingskomponente aus dem Metallpulverspritzgießen und eine Bräunlingskomponente aus der additiven Fertigung aufweist.

Der hybride Bräunling wird abschließend in Schritt 205 unter Entstehung eines gesinterten hybriden Bauteils gesintert. Optional kann eine Nachbearbeitung durch eine Wärmebehandlung, heißisostatisches Pressen und/oder eine mechanische Nachbearbeitung erfolgen.

Die Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines dritten Verfahrens zur Herstellung eines hybriden Bauteils. Zunächst wird in Schritt 301 ein Grünling durch Metallpulverspritzgießen hergestellt. Insofern wird auf die Erläuterungen zu Schritt 101 des Verfahrens der Figur 1 Bezug genommen. Anschließend wird in Schritt 302 der Grünling entbindert, wobei ein Bräunling des Bauteils entsteht. In Schritt 303 wird der Bräunling gesintert, so dass ein gesintertes MIM-Bauteil bereitgestellt wird.

In Schritt 304 wird das gesinterte MIM-Bauteil durch Aufträgen eines Pulver-Binder- Gemisches auf das gesinterte MIM-Bauteil mittels eines additiven Fertigungsverfahrens modifiziert. Der Schritt 304 entspricht, was die Durchführung der additiven Fertigung angeht, dem Schritt 102 des Verfahrens der Figur 1, so dass auf die diesbezüglichen Ausführungen Bezug genommen wird. Der Unterschied besteht darin, dass das Pulver- Binder-Gemisch im Rahmen der additiven Fertigung nicht wie bei der Figur 1 auf den Grünling oder in der Figur 2 auf den Bräunling, sondern auf das gesinterte MIM-Bauteil aufgetragen wird.

Nachfolgend wird in Schritt 305 das mittels des additiven Fertigungsverfahrens aufgetragene Material entbindert. Hierzu kann vorgesehen sein, dass nur das aufgetragene Material mit einem Lösungsmittel und/oder thermisch (einschließlich einer katalytischen Entbinderung) beaufschlagt wird. Alternativ kann vorgesehen sein, dass das kombinierte Bauteil, also das durch Metallpulverspritzgießen gesinterte Bauteil und die additive Komponente mit einem Lösungsmittel und/oder thermisch (einschließlich einer katalytischen Entbinderung) beaufschlagt werden, wobei jedoch nur das mittels des additiven Fertigungsverfahrens aufgetragene Material tatsächlich entbindert wird, da das gesinterte Bauteil bereits zuvor entbindert und gesintert wurde.

Nachfolgend wird in Schritt 306 das mittels des additiven Fertigungsverfahrens aufgetragene Material gesintert, wobei ein gesintertes hybrides Bauteil entsteht, dass eine gesinterte Komponente durch das Metallpulverspritzgießen und eine gesinterte Komponente durch die additive Fertigung umfasst.

Dabei kann vorgesehen sein, dass nur das aufgetragene Material gesintert wird. Alternativ kann vorgesehen sein, dass das kombinierte Bauteil, also das durch Metallpulverspritzgießen gesinterte Bauteil und die additive Komponente gesintert wird, in welchem Fall das durch Metallpulverspritzgießen hergestellte Bauteil somit nochmals gesintert wird.

Die Figur 4 zeigt schematisch ein gesintertes hybrides Bauteil 3, das aus einem durch Metallpulverspritzgießen hergestellten Bauteil 1 und einer mittels eines additiven Fertigungsverfahrens auf das Bauteil 1 aufgetragenen Komponente 2 besteht. Dabei kann die Komponente 2 auf das Bauteil 1 im Grün-, Braun- oder Sinterzustand aufgetragen worden sein, wie in Bezug auf die Figuren 1-3 erläutert. Die Komponente 2 kann aus mehreren Schichten 20 bestehen.

Es wird darauf hingewiesen, dass die durch Aufträgen von Material entstandene Komponente 2 auch eine Struktur 21 auf dem Bauteil 1 bildet, durch die eine zusätzliche Funktionalität des hybriden Bauteils 3 bereitgestellt werden kann. Beispielsweise dient die Struktur 21 einer Positionierfunktion, beispielsweise einer Zentrierfunktion relativ zu anderen Bauteilen. In anderen Beispielen dient die Struktur 21 einer Rastfunktion oder Verbindungsfunktion.

Die Figur 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem an einer Oberfläche eines durch Metallpulverspritzgießen hergestellten Bauteil 10 mehrere Lagen 20 eines Materials 2 durch additive Fertigung aufgetragen sind, wobei das Material 2 eine Funktionsschicht bereitstellt, die beispielsweise einen Oxidationsschutz, einen Korrosionsschutz oder einen Erosionsschutz bereitstellt. Das Material 2 kann an unterschiedlichen Flächen des Bauteils 10 aufgetragen sein. Es liegt ein gesintertes hybrides Bauteil 3 vor, dass eine durch Metallpulverspritzgießen hergestellte Komponente 10 und eine durch additive Fertigung hergestellte Komponente 2 aufweist.

Die Figur 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem ein Bauteil 1 mit einer durch additive Fertigung hergestellten Komponente 2 verbunden ist, wobei die Komponente 2 das Bauteil 1 mit einem weiteren Bauteil 6 verbindet. Dabei ist vorgesehen, dass die Bauteile 1 ,6 zusätzlich durch eine Fügeverbindung 41 direkt miteinander verbunden sind. Durch die additive Komponente 2 wird dabei eine weitere Fügeverbindung bereitgestellt. Die direkte Fügeverbindung 41 folgt beispielsweise über eine Steckverbindung, wobei die Figur 6 beispielhaft ein erstes Ausführungsbeispiel einer solchen Steckverbindung zeigt, bei dem das eine Bauteil einen prismatischen Vorsprung ausbildet. Alternativ erfolgt die direkte Fügeverbindung beispielsweise durch Sinterfügen oder über Pasten.

Das Ausführungsbeispiel der Figur 7 entspricht bis auf den Umstand dem Ausführungsbeispiel der Figur 6, dass eine Fügeverbindung 42 vorgesehen ist, die eine andere Steckverbindung realisiert, bei der das eine Bauteil einen halbkugelförmigen Vorsprung ausbildet.

Das Ausgangsbeispiel der Figur 8 entspricht bis auf den Umstand dem Ausführungsbeispiel der Figur 7, dass die additiv gefertigte Komponente 2 zusätzlich eine vorstehende Struktur 22 ausbildet, deren Form in der Figur 8 lediglich beispielhaft dargestellt ist. Die vorstehende Struktur 22 kann ebenso wie die in Bezug auf die Figur 4 erläutert Struktur 21 eine Rastfunktion und/oder Positionierfunktion und/oder Verbindungsfunktion oder auch eine andere Funktion erfüllen.

Die Figur 9 verdeutlicht schematisch, dass die additiv gefertigte Komponente 2 andere Dimensionen als die Bauteile 1, 6 aufweisen kann.

Die Figur 10 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem zwischen den beiden Bauteilen 1, 6 eine Stützstruktur 5 angeordnet ist, die zum einen als Abstandshalter zwischen den beiden Bauteilen 1 , 6 dient. Die Oberfläche 51 der Stützstruktur 5 dient zum anderen als Auflage für die additiv gefertigte Komponente 2, so dass diese trotz der Beabstandung der Bauteile 1 , 6 zwischen diesen aufgebracht werden kann. Die Stützstruktur 5 wird nach Anbringung der additiv gefertigten Komponente 2 wieder entfernt. Dies kann sogleich nach Anbringung der additiv gefertigten Komponente 2 oder beispielsweise erst beim Sintern erfolgen.

Die Figur 11 zeigt eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels der Figur 10, bei dem die additiv gefertigte Komponente 11 gekrümmt ausgebildet ist. Hierfür weist die Stützstruktur 5 eine gekrümmte Oberfläche 52 auf, auf die das aufgetragene Material bei der additiven Fertigung abgelegt wird.

Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist und verschiedene Modifikationen und Verbesserungen vorgenommen werden können, ohne von den hier beschriebenen Konzepten abzuweichen. Des Weiteren können beliebige der Merkmale separat oder in Kombination mit beliebigen anderen Merkmalen eingesetzt werden, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen, und die Offenbarung dehnt sich auf alle Kombinationen und Unterkombinationen eines oder mehrerer Merkmale, die hier beschrieben werden, aus und umfasst diese. Sofern Bereiche definiert sind, so umfassen diese sämtliche Werte innerhalb dieser Bereiche sowie sämtliche Teilbereiche, die in einen Bereich fallen.