DE102016218647A1

DE102016218647A1 - Vorrichtung und Verfahren zum induktiven Erwärmen eines Bauteils

Info

Publication number: DE102016218647A1
Application number: DE102016218647.7A
Authority: DE
Inventors: Johannes Casper; Herbert Hanrieder; Martin PIETSCH
Original assignee: MTU Aero Engines AG
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2016-09-28
Filing date: 2016-09-28
Publication date: 2018-03-29

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (10) zum induktiven Temperieren wenigstens eines Bauteils, insbesondere eines Gastriebwerkbauteils. Die Vorrichtung (10) umfasst einen Arbeitsraum (12) und eine Temperiereinrichtung, welche wenigstens ein Induktionselement (14) zum induktiven Temperieren wenigstens eines Bereichs im Arbeitsraum (12) aufweist, in welchem das wenigstens eine Bauteil anordenbar ist. Dabei ist vorgesehen, dass elektrische Pole des wenigstens einen Induktionselements (14) einander gegenüberliegend angeordnet sind. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Vorrichtung (10).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum induktiven Erwärmen eines Bauteils sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung.
Fertigungsverfahren zur Herstellung von einzelnen Bauteilbereichen oder vollständigen Bauteilen sind in einer großen Vielzahl bekannt. Neben Schweißverfahren, bei denen eine unlösbare Verbinden von Bauteilen oder Halbzeugen unter Anwendung von Wärme und gegebenenfalls Druck erfolgt, sind insbesondere additive bzw. generative Fertigungsvorrichtungen und -verfahren (sog. Rapid Manufacturing- bzw. Rapid Prototyping-Verfahren) bekannt, mit denen ein Bauteil, bei dem es sich beispielsweise um ein Bauteil einer Gasturbine bzw. eines Flugtriebwerks handeln kann, schichtweise aufgebaut wird. Vorwiegend metallische Bauteile können beispielsweise durch Laser- bzw. Elektronenstrahlschmelzverfahren hergestellt werden. Dabei wird zunächst in einem Arbeitsraum der Vorrichtungen mindestens ein pulverförmiger Werkstoff schichtweise im Bereich einer Aufbau- und Fügezone aufgetragen, um eine Pulverschicht zu bilden. Anschließend wird der Werkstoff lokal verfestigt, indem dem Werkstoff im Bereich der Aufbau- und Fügezone Energie mittels wenigstens eines Hochenergiestrahls zugeführt wird, wodurch der Werkstoff schmilzt und eine Bauteilschicht bildet. Der Hochenergiestrahl wird dabei in Abhängigkeit einer Schichtinformation der jeweils herzustellenden Bauteilschicht gesteuert. Die Schichtinformationen werden üblicherweise aus einem 3D-CAD-Körper des Bauteils erzeugt und in einzelne Bauteilschichten unterteilt. Nach dem Verfestigen des geschmolzenen Bauteilwerkstoffs wird die Bauteilplattform schichtweise um eine vordefinierte Schichtdicke abgesenkt. Danach werden die genannten Schritte bis zur endgültigen Fertigstellung des gewünschten Bauteilbereichs oder des gesamten Bauteils wiederholt. Der Bauteilbereich bzw. das Bauteil kann dabei grundsätzlich auf einer Bauteilplattform oder auf einem bereits erzeugten Teil des Bauteils oder Bauteilbereichs hergestellt werden. Die Vorteile dieser additiven Fertigung liegen insbesondere in der Möglichkeit, sehr komplexe Bauteilgeometrien mit Hohlräumen, Hinterschnitten und dergleichen im Rahmen eines einzelnen Verfahrens herstellen zu können.
Einige Werkstoffe wie beispielsweise hochwarmfeste Nickelbasissuperlegierungen, Mg₂Si-Legierungen und intermetallische Verbindungen wie Titanaluminide lassen sich aber häufig nicht oder nur schwer schweißtechnisch verarbeiten. Dementsprechend ist ihre Verarbeitung im Rahmen solcher Schichtbauverfahren problematisch. Gleiches gilt für die Verarbeitung solcher Werkstoffe mit Hilfe von Schweißverfahren. Eine Möglichkeit, diese Werkstoffe zu verarbeiten, besteht in einer Vorwärmung und Temperierung auf Temperaturen in der Nähe ihres Schmelzpunktes. Zum Temperieren des Werkstoffs bzw. der Bauplattform sind Stahlungsheizungen (IR, Mikrowelle etc) sowie induktive Temperiereinrichtungen bekannt, bei denen eine oder mehrere Spulen als Induktor verwendet werden, um elektrisch leitfähige Bereiche im Arbeitsraum durch erzeugte Wirbelstromverluste zu erwärmen.
Als nachteilig an den bekannten induktiven Temperiereinrichtungen ist der Umstand anzusehen, dass diese aufgrund der vorgegebenen Spulengeometrien nur einen sehr kleinen Bereich im Arbeitsraum temperieren können. Zudem versperren die relativ voluminösen Spulen abhängig von ihrer Position im Arbeitsraum häufig den Zugang zum zu bearbeitenden Bauteil.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen, welche eine verbesserte Temperierbarkeit eines in einem Arbeitsraum angeordneten Bauteils ermöglicht. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung zu schaffen, welches eine bessere Temperierung eines oder mehrerer in einem Arbeitsraum angeordneter Bauteile ermöglicht.
Die Aufgaben werden erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 13 zum Betreiben einer solchen Vorrichtung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung als vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und umgekehrt anzusehen sind.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum induktiven Temperieren wenigstens eines Bauteils, insbesondere eines Gastriebwerkbauteils, wobei die Vorrichtung einen Arbeitsraum und eine Temperiereinrichtung umfasst, welche wenigstens ein Induktionselement zum induktiven Temperieren wenigstens eines Bereichs im Arbeitsraum aufweist, in welchem das wenigstens eine Bauteil anordenbar ist. Eine verbesserte Temperierbarkeit des wenigstens einen Bereichs im Arbeitsraum bzw. eines in diesem Bereich angeordneten Bauteils ist erfindungsgemäß dadurch ermöglicht, dass elektrische Pole des wenigstens einen Induktionselements einander gegenüberliegend angeordnet sind. Mit anderen Worten ist es im Unterschied zum Stand der Technik vorgesehen, dass der elektrische Pluspol und der elektrische Minuspol des Induktionselements nicht wie bei einer herkömmlichen Spule nebeneinander bzw. auf derselben Seite des Arbeitsraums angeordnet sind, sondern dass das Induktionselement ein stromdurchfließbarer elektrischer Leiter ist, dessen Plus- und Minuspol auf unterschiedlichen Seiten des Arbeitsraums bzw. einander gegenüberliegend angeordnet sind. Insbesondere weist das Induktionselement vorzugsweise keine Windung auf. Wenn ein elektrisches Potenzial am wenigstens einen Induktionselement angelegt wird und Strom durch dieses fließt, bildet sich ein konzentrisches magnetisches Feld um das Induktionselement aus, das zur Temperierung genutzt werden kann. Da das Induktionselement im Unterschied zu einer Spule windungsfrei ausgebildet sein kann, weist es ein besonders geringes „Störvolumen“ auf, so dass die Verfestigung des Werkstoffs durch einen oder mehrere Hochenergiestrahlen nicht gestört wird und eine Kollisionsgefahr mit einem Laser oder einer Elektronenstrahlquelle erheblich reduziert ist. Weiterhin ist die Temperiereinrichtung besonders variabel an unterschiedlich große Arbeitsräume bzw. Aufbau- und Fügezonen oder Bauteilgeometrien anpassbar und ermöglicht aufgrund der flexibleren Ausgestaltbarkeit des Induktionselement eine höhere Stromdichte und damit einen größeren Energieeintrag und eine bessere Temperierung als herkömmliche Spulen. Die Vorrichtung kann grundsätzlich als selektive Lasersinter- und/oder Laserschmelzvorrichtung ausgebildet sein und einen oder mehrere Laser als Strahlungsquelle(n) aufweisen. Ebenso ist es möglich, dass die Vorrichtung als Elektronenstrahlsinter- und/oder schmelzvorrichtung ausgebildet ist, das heißt eine oder mehrere Elektronenquellen als Strahlungsquelle(n) aufweist. Weiterhin kann die Vorrichtung eine oder mehrere Schweißeinrichtungen aufweisen. Auch beliebige Kombinationen sind denkbar.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Temperiereinrichtung mindestens zwei und vorzugsweise mindestens vier Induktionselemente auf, wobei die elektrischen Pole jedes Induktionselements jeweils einander gegenüberliegend angeordnet sind. Hierdurch können je nach Anordnung der Induktionselemente besonders große Flächen gleichmäßig erwärmt oder kleinere Flächen durch Überlagerung der Magnetfelder der einzelnen Induktionselemente besonders stark erwärmt werden. Damit kann die Temperiereinrichtung optimal an unterschiedliche Arbeitsräume, Bauteile und Werkstoffe angepasst werden.
Weitere Vorteile ergeben sich dadurch, dass das wenigstens eine Induktionselement einen draht- und/oder stabförmigen Leiter aufweist. Mit anderen Worten umfasst bzw. ist das Induktionselement bzw. sind die Induktionselemente als vorzugsweise lineare oder zumindest im Wesentlichen knick-, biegungs- und schleifenfreie Körper, deren Enden als Plus- bzw. Minuspol geschaltet werden können, ausgebildet und weist bzw. weisen vorzugsweise eine zumindest annähernd runde Querschnittsfläche auf. Hierdurch wird einerseits ein besonders geringes „Störvolumen“ sichergestellt, andererseits wird hierdurch ein besonders homogenes und leicht anpassbares Magnetfeld mit der Möglichkeit einer entsprechend vorteilhaften Temperierung erreicht.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass wenigstens zwei Induktionselemente parallel zueinander angeordnet sind und/oder dass wenigstens zwei Induktionselemente in einem Winkel, insbesondere senkrecht zueinander angeordnet sind. Hierdurch kann die Anzahl und Anordnung der Induktionselemente optimal an den zu temperierenden Bereich im Arbeitsraum angepasst werden. Dabei können auch mehr als zwei Induktionselemente vorgesehen sein, von denen beispielsweise zwei parallel zueinander und eines oder mehr in einem Winkel zu den zwei parallelen angeordnet ist bzw. sind. Der oder die Winkel können grundsätzlich jeden Wert zwischen 1 ° und 359 °, also beispielsweise 1 °, 2 °, 3 °, 4 °, 5 °, 6 °, 7 °, 8 °, 9 °, 10 °, 11 °, 12 °, 13 °, 14 °, 15 °, 16 °, 17 °, 18 °, 19 °, 20 °, 21 °, 22 °, 23 °, 24 °, 25 °, 26 °, 27 °, 28 °, 29 °, 30 °, 31 °, 32 °, 33 °, 34 °, 35 °, 36 °, 37 °, 38 °, 39 °, 40 °, 41 °, 42 °, 43 °, 44 °, 45 °, 46 °, 47 °, 48 °, 49 °, 50 °, 51 °, 52 °, 53 °, 54 °, 55 °, 56 °, 57 °, 58 °, 59 °, 60 °, 61 °, 62 °, 63 °, 64 °, 65 °, 66 °, 67 °, 68 °, 69 °, 70 °, 71 °, 72 °, 73 °, 74 °, 75 °, 76 °, 77 °, 78 °, 79 °, 80 °, 81 °, 82 °, 83 °, 84 °, 85 °, 86 °, 87 °, 88 °, 89 °, 90 °, 91 °, 92 °, 93 °, 94 °, 95 °, 96 °, 97 °, 98 °, 99 °, 100 °, 101 °, 102 °, 103 °, 104 °, 105 °, 106 °, 107 °, 108 °, 109 °, 110 °, 111 °, 112 °, 113 °, 114 °, 115 °, 116 °, 117 °, 118 °, 119 °, 120 °, 121 °, 122 °, 123 °, 124 °, 125 °, 126 °, 127 °, 128 °, 129 °, 130 °, 131 °, 132 °, 133 °, 134 °, 135 °, 136 °, 137 °, 138 °, 139 °, 140 °, 141 °, 142 °, 143 °, 144 °, 145 °, 146 °, 147 °, 148 °, 149 °, 150 °, 151 °, 152 °, 153 °, 154 °, 155 °, 156 °, 157 °, 158 °, 159 °, 160 °, 161 °, 162 °, 163 °, 164 °, 165 °, 166 °, 167 °, 168 °, 169 °, 170 °, 171 °, 172 °, 173 °, 174 °, 175 °, 176 °, 177 °, 178 °, 179 °, 180 °, 181 °, 182 °, 183 °, 184 °, 185 °, 186 °, 187 °, 188 °, 189 °, 190 °, 191 °, 192 °, 193 °, 194 °, 195 °, 196 °, 197 °, 198 °, 199 °, 200 °, 201 °, 202 °, 203 °, 204 °, 205 °, 206 °, 207 °, 208 °, 209 °, 210 °, 211 °, 212 °, 213 °, 214 °, 215 °, 216 °, 217 °, 218 °, 219 °, 220 °, 221 °, 222 °, 223 °, 224 °, 225 °, 226 °, 227 °, 228 °, 229 °, 230 °, 231 °, 232 °, 233 °, 234 °, 235 °, 236 °, 237 °, 238 °, 239 °, 240 °, 241 °, 242 °, 243 °, 244 °, 245 °, 246 °, 247 °, 248 °, 249 °, 250 °, 251 °, 252 °, 253 °, 254 °, 255 °, 256 °, 257 °, 258 °, 259 °, 260 °, 261 °, 262 °, 263 °, 264 °, 265 °, 266 °, 267 °, 268 °, 269 °, 270 °, 271 °, 272 °, 273 °, 274 °, 275 °, 276 °, 277 °, 278 °, 279 °, 280 °, 281 °, 282 °, 283 °, 284 °, 285 °, 286 °, 287 °, 288 °, 289 °, 290 °, 291 °, 292 °, 293 °, 294 °, 295 °, 296 °, 297 °, 298 °, 299 °, 300 °, 301 °, 302 °, 303 °, 304 °, 305 °, 306 °, 307 °, 308 °, 309 °, 310 °, 311 °, 312 °, 313 °, 314 °, 315 °, 316 °, 317 °, 318 °, 319 °, 320 °, 321 °, 322 °, 323 °, 324 °, 325 °, 326 °, 327 °, 328 °, 329 °, 330 °, 331 °, 332 °, 333 °, 334 °, 335 °, 336 °, 337 °, 338 °, 339 °, 340 °, 341 °, 342 °, 343 °, 344 °, 345 °, 346 °, 347 °, 348 °, 349 °, 350 °, 351 °, 352 °, 353 °, 354 °, 355 °, 356 °, 357 °, 358 ° oder 359 ° einnehmen. Besonders bevorzugt sind dabei Winkel im Bereich zwischen 80 ° und 100 °, das heißt eine zumindest im Wesentlichen senkrechte Anordnung wenigstens eines Induktionselements zu wenigstens einem weiteren Induktionselement.
Weitere Vorteile ergeben sich, indem wenigstens ein Induktionselement relativ zum Arbeitsraum translatorisch und/oder rotatorisch bewegbar ist. Hierdurch ist es möglich, unterschiedliche Bereiche im Arbeitsraum bedarfsgerecht zu temperieren und/oder das Induktionselement aus dem Pfad eines Hochenergiestrahls, einer Schweißeinrichtung oder dergleichen zu bewegen. Indem wenigstens ein Induktionselement relativ zu wenigstens einem weiteren Induktionselement bewegbar ist, kann ebenfalls eine besonders bedarfsgerechte Temperierung eines oder mehrerer Bereiche durchgeführt werden, da die Erwärmung des betreffenden Bereichs mittels der magnetischen Felder der wenigstens zwei Induktionselemente wahlweise verstärkt oder abgeschwächt werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass wenigstens einem Induktionselement zumindest eine Führungskulisse zugeordnet ist, entlang welcher das Induktionselement bewegbar ist. Dies erlaubt eine kontrollierte Bewegbarkeit des wenigstens einen Induktionselements entlang eines vorgegebenen Raumpfads. Vorzugsweise ist die Führungskulisse mit einer Schutzeinrichtung, beispielsweise einer Abdeckung, einer Bürstendichtung oder dergleichen versehen, um sie vor Staub, Verschmutzungen oder Prozessprodukten des Schichtbauverfahrens zu schützen. Alternativ oder zusätzlich ist es vorgesehen, dass wenigstens ein Induktionselement in eine Ruhestellung bewegbar ist, in welcher das Induktionselement eine Aufbau- und Fügezone der Vorrichtung freigibt und/oder außerhalb des Arbeitsraums angeordnet ist. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass wenigstens ein Induktionselement und vorzugsweise alle Induktionselemente aus einer im Bereich der Aufbau- und Fügezone liegenden Arbeitsstellung in eine zumindest außerhalb der Aufbau- und Fügezone und gegebenenfalls außerhalb des Arbeitsraums liegende Ruhestellung bewegbar sind, da hierdurch eine Behinderung eines Werkstoffauftrags im Bereich der Aufbau- und Fügezone sowie eine Störung des oder der Hochenergiestrahlen bzw. einer Schweißeinrichtung oder sonstiger Funktionselemente der Vorrichtung besonders zuverlässig vermieden wird.
Weitere Vorteile ergeben sich, indem wenigstens einem Induktionselement zwei einander gegenüberliegende Führungskulissen zugeordnet sind, wobei die zwei Führungskulissen mit unterschiedlichen elektrischen Potenzialen beaufschlagbar sind. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass die beiden Enden des Induktionselements in jeweiligen Führungskulissen geführt und über die Führungskulissen auch mit elektrischer Spannung versorgt werden. Hierdurch kann vorteilhaft auf zusätzliche Stromleitungen und dergleichen verzichtet werden, welche gegebenenfalls die Bewegbarkeit des Induktionselements einschränken könnten. Weiterhin ist eine einfache Umpolung des Induktionselements über die Führungskulissen möglich.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass dem wenigstens einen Induktionselement ein steuer- und/oder regelbares Antriebsmittel zugeordnet ist, mittels welchem das Induktionselement relativ zum Arbeitsraum bewegbar ist. Dies erlaubt eine besonders präzise und optimal an den jeweiligen Verfahrensschritt anpassbare Bewegbarkeit des wenigstens einen Induktionselements. Das Antriebsmittel kann beispielsweise eine Lineareinheit, eine archimedische Schraube oder dergleichen sein.
Eine verbesserte Kühlung wird in weiterer Ausgestaltung der Erfindung dadurch erzielt, dass das wenigstens eine Induktionselement innen hohl und/oder mit einem Kühlmedium beaufschlagbar ist. Dies erlaubt die Verwendung höherer Stromstärken, wodurch eine entsprechend schnellere und höhere Erwärmung des Werkstoffs möglich ist. Zusätzlich wird die Lebenserwartung des Induktionselements vorteilhaft erhöht. Im Fall einer Beaufschlagbarkeit mit Kühlmedium ist das Induktionselement vorzugsweise derart ausgebildet, dass es mit einem zugeordneten Kühlkreislauf der Vorrichtung koppelbar ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist wenigstens ein Induktionselement bezüglich der Aufbau- und Fügezone der Vorrichtung oberhalb wenigstens eines weiteren Induktionselements angeordnet. Mit anderen Worten sind zwei oder mehr Induktionselemente in unterschiedlichen Höhen bzw. Ebenen übereinander über der Aufbau- und Fügezone angeordnet. Hierdurch können die Induktionselemente unabhängig voneinander bewegt werden, ohne dass sich ihre Bewegungspfade kreuzen. Zusätzlich kann das Magnetfeld durch Überlagerung der Magnetfelder mehrerer Induktionselemente bedarfsgerecht verstärkt werden.
Weitere Vorteile ergeben sich, indem eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, mittels welcher die elektrische Polarität wenigstens eines Induktionselements umkehrbar ist. Hierdurch kann das magnetische Feld des Induktionselements entsprechend umgepolt werden, wodurch andere magnetische Felder wahlweise verstärkt, abgeschwächt oder sogar zumindest annähernd vollständig ausgelöscht werden können. Dies erlaubt eine besonders präzise Erwärmung oder Nicht-Erwärmung bestimmter Bereiche, so dass beispielsweise Bereiche, die sich nicht in der Nähe der Aufbau- und Fügezone befinden, nicht unnötig erhitzt werden. Dies verringert die thermische Belastung der umgebenden Vorrichtung und verhindert auch unnötige Alterungseffekte und Gefügeänderungen im bereits verfestigten Werkstoff. Beispielsweise kann das Induktionselement mittels der Steuereinrichtung zwischen Potentialschienen mit unterschiedlicher Polarität bewegt bzw. abwechselnd in Anlage gebracht werden, um auf konstruktiv einfache und robuste Weise eine schnelle Umpolung zu erzielen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Vorrichtung eine Schweißeinrichtung und/oder wenigstens eine Strahlungsquelle zum Erzeugen wenigstens eines Hochenergiestrahls, mittels welchem ein Werkstoff im Arbeitsraum lokal zu mindestens einer Bauteilschicht verfestigbar ist, umfasst. Hierdurch kann die vorteilhafte induktive Temperierung im Zusammenhang mit unterschiedlichen Fertigungsverfahren realisiert werden. Beispielsweise kann die Vorrichtung als selektive Laserschmelz- und/oder Lasersinteranlage ausgebildet sein. Ebenso kann die Vorrichtung als Elektronenstrahlschmelz- oder -sinteranlage ausgebildet sein.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung gemäß dem ersten Erfindungsaspekt, bei welchem mittels wenigstens eines Induktionselements der Temperiereinrichtung wenigstens ein Bereich im Arbeitsraum induktiv temperiert wird, wobei elektrische Pole des wenigstens einen Induktionselements einander gegenüberliegend angeordnet werden. Dies erlaubt eine verbesserte Temperierung wenigstens eines Bereichs im Arbeitsraum. Mit anderen Worten ist es im Unterschied zum Stand der Technik vorgesehen, dass der elektrische Pluspol und der elektrische Minuspol des Induktionselements nicht wie bei einer herkömmlichen Spule nebeneinander bzw. auf derselben Seite des Arbeitsraums angeordnet werden, sondern dass das Induktionselement ein stromdurchfließbarer elektrischer Leiter ist, dessen Plus- und Minuspol auf unterschiedlichen Seiten des Arbeitsraums bzw. einander gegenüberliegend angeordnet werden. Insbesondere weist das Induktionselement vorzugsweise keine Windung auf. Indem ein elektrisches Potenzial am wenigstens einen Induktionselement angelegt wird, fließt Strom durch dieses, wodurch sich ein konzentrisches magnetisches Feld um das Induktionselement ausbildet, das zur Temperierung genutzt werden kann. Da das Induktionselement im Unterschied zu einer Spule windungsfrei ausgebildet sein kann, weist es ein besonders geringes „Störvolumen“ auf, so dass die Verfestigung des Werkstoffs durch einen oder mehrere Hochenergiestrahlen nicht gestört wird und eine Kollisionsgefahr mit einem Laser oder einer Elektronenstrahlquelle erheblich reduziert ist. Entsprechendes gilt für etwaige Schweißeinrichtungen. Weiterhin können unterschiedlich große Arbeitsräume bzw. Aufbau- und Fügezonen oder Bauteilgeometrien variabel temperiert werden. Aufgrund der flexibleren Ausgestaltbarkeit des Induktionselements können zudem eine höhere Stromdichte verwendet und damit ein größerer Energieeintrag und eine bessere Temperierung als bei herkömmlichen Spulen erreicht werden. Das Temperieren des Bereichs bzw. eines in diesem Bereich angeordneten Bauteils kann grundsätzlich vor, während und/oder nach dem Bearbeiten des Bauteils erfolgen, beispielsweise vor, während und/oder nach dem Verfestigen wenigstens einer Bauteilschicht mit einem Hochenergiestrahl bzw. vor, während und/oder nach dem Verschweißen von zwei oder mehr Bauteilen bzw. Halbzeugen. Weitere Merkmale und deren Vorteile sind den Beschreibungen des ersten Erfindungsaspekts zu entnehmen, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Erfindungsaspekts als vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Erfindungsaspekts und umgekehrt anzusehen sind. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens zwei Induktionselemente kreuzförmig angeordnet werden, wobei ein Kreuzungsbereich der Induktionselemente oberhalb einer Aufbau- und Fügezone angeordnet wird. Hierdurch kann in Abhängigkeit der Polarität der wenigstens zwei Induktionselemente eine Verstärkung oder Abschwächung der magnetischen Felder im Kreuzungsbereich erzielt werden. Dies erlaubt bedarfsweise eine lokal starke Erwärmung des unter dem Kreuzungsbereich angeordneten Werkstoffs oder das gezielte Auslöschen des Magnetfelds im Kreuzungsbereich.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens zwei Induktionselemente gleichsinnig oder entgegensetzt gepolt werden. Hierdurch wird bedarfsweise eine lokal starke Erwärmung des im Bereich der Induktionselemente angeordneten Werkstoffs oder das gezielte Auslöschen des Magnetfelds möglich.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens zwei Induktionselemente relativ zueinander bewegt werden. Dies erlaubt eine besonders präzise Einstellung des resultierenden Magnetfelds und eine entsprechend präzise Temperierung des entsprechenden Bereichs im Arbeitsraum.
Weitere Vorteile ergeben sich, indem eine Schutzgasströmung zumindest in dem induktiv temperierten Bereich des Arbeitsraums erzeugt wird. Durch eine derartige zumindest lokale Schutzgasströmung können unerwünschte chemische Reaktionen im Bereich des temperierten und zu bearbeitenden Bauteilbereichs, beispielsweise beim Verschweißen und/oder Laserschmelzen, zuverlässig verhindert werden. Die Schutzgasströmung kann beispielsweise mit wenigstens einer Düse zur Einblasung bzw. Absaugung des Schutzgases erzeugt werden. Das Schutzgas kann in Abhängigkeit des zu bearbeitenden Bauteilwerkstoffs und/oder des Fertigungsverfahrens gewählt werden und beispielsweise ein Reingas wie Stickstoff, Argon oder Xenon oder eine beliebige Mischung entsprechender Schutzgase sein.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen, sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen von der Erfindung als umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt und erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind. Es sind also auch Ausführungen und Merkmalskombinationen als offenbart anzusehen, die somit nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten unabhängigen Anspruchs aufweisen.
1 eine Prinzipdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei welcher mehrere Induktionselemente in jeweilige Arbeitsstellungen bewegt sind;
2 eine Prinzipdarstellung der Vorrichtung, bei welcher die Induktionselemente in jeweilige Ruhestellungen bewegt sind; und
3 ein schematischer Querschnitt der Vorrichtung.
1 zeigt eine Prinzipdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10, welche im vorliegenden Ausführungsbeispiel zum additiven Herstellen eines Bauteils, insbesondere eines Gastriebwerkbauteils, dient. Die Vorrichtung 10 weist einen Arbeitsraum 12 auf, in welchem ein pulverförmiger Werkstoff, beispielsweise eine Nickelbasissuperlegierung, in an sich bekannter Weise aufgetragen und beispielsweise mittels eines Laserstrahls lokal zu einer entsprechenden Bauteilschicht verfestigt wird. Dieser Vorgang wird bis zur Fertigstellung des gewünschten Bauteilbereichs oder Bauteils wiederholt. Um den hochwarmfesten Werkstoff mit Hilfe des Laserstrahls aufschmelzen zu können, weist die Vorrichtung 10 eine Temperiereinrichtung auf, welche im vorliegenden Beispiel vier Induktionselemente 14 zum induktiven Temperieren verschiedener Bereiche im Arbeitsraum 12 umfasst. Grundsätzlich können auch mehr oder weniger Induktionselemente 14 vorgesehen sein. Man erkennt, dass jedes Induktionselement 14 einen draht- bzw. stabförmigen Leiter aufweist, dessen gegenüberliegende Endbereiche 14a, 14b, die zum induktiven Erwärmen als elektrischer Plus- bzw. Minuspol geschaltet werden, jeweils an gegenüberliegenden Endbereichen des Arbeitsraums 12 angeordnet sind. Die Induktionselemente 14 sind damit im Unterschied zu herkömmlichen Spulen windungsfrei. Es versteht sich, dass die Induktionselemente 14 nicht in jedem Fall identisch bzw. linear ausgebildet sein müssen. Ein Gedanke der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, anstelle von herkömmlichen Spulen draht- bzw. stabförmige Induktionselemente 14 als stromdurchflossene Leiter zu verwenden.
Die Induktionselemente 14 sind in Paaren kreuzweise bzw. in einem Winkel von 90° angeordnet, wobei ein Paar entlang der x-Achse und das andere Paar entlang der y-Achse des Arbeitsraums 12 bewegbar ist. Grundsätzlich kann es vorgesehen sein, dass die einzelnen Induktionselemente 14 nur paarweise oder unabhängig voneinander bewegbar sind. Damit kann die Fläche des temperierten Bereichs besonders variabel eingestellt werden. Ebenso können mehr oder weniger bzw. abweichend angeordnete Induktionselemente 14 vorgesehen sein. Zum Bewegen der Induktionselemente 14 umfasst die Temperiereinrichtung entsprechende Antriebsmittel 16, die vorliegend als Linearantriebe ausgebildet sind und Führungskulissen entlang den Rändern des Arbeitsraums 12 bilden. Man erkennt, dass die Induktionselemente 14 in ihrer Arbeitsstellung die gesamte Fläche des Arbeitsraums 12 und damit einer im Arbeitsraum 12 angeordneten Bauplattform 18 (s. 3) überstreichen können, so dass der Kreuzungspunkt P der Induktionselemente 14 beliebig im Arbeitsraum 12 positioniert werden kann.
Das magnetische Feld eines stromdurchflossenen Leiters bildet sich konzentrisch um den jeweiligen Leiter aus. Im Fall von zwei oder mehr Leitern überlagern sich die magnetischen Felder, so dass je nach Ausrichtung bzw. Polung der Felder eine Verstärkung oder Auslöschung möglich ist. Dieser Überlagerungsbereich kann zur Vorwärmung und/oder zur Nicht-Erwärmung bestimmter Bereiche genutzt werden. Vor, während und/oder nach dem Aufbringen einer Werkstoffschicht wird der Kreuzungsbereich P normalerweise über oder in der Nähe des mit Hilfe des Lasers aufzuschmelzenden Bereichs angeordnet, um den Werkstoff ausreichend vorzuwärmen. Durch eine entgegengesetzte Polung wenigstens eines Induktionselements 14 kann es aber auch vorgesehen sein, dass bestimmte Bereiche aufgrund der dadurch reduzierten Feldstärke nicht oder in geringem Umfang erwärmt werden. Beispielsweise können Bereiche, die sich nicht in der Nähe der Fügezone befinden, nicht unnötig erwärmt werden. Dies verringert auch die thermische Belastung der Vorrichtung 10 und verhindert Alterungseffekte im Werkstoff. Die Induktionselemente 14 können hohl sein bzw. mit einem Kühlmedium durchströmt werden, um höhere magnetische Feldstärken erzielen zu können. Zur Verstärkung des magnetischen Feldes können zudem mehrere Induktionselemente 14 übereinander angeordnet werden. Es ist zu betonen, dass dieses erfindungsgemäße Prinzip der induktiven Erwärmung nicht auf die beschriebenen additiven Fertigungsverfahren beschränkt ist, sondern beispielsweise auch in Verbindung mit Schweißeinrichtungen bzw. Schweißverfahren vorteilhaft zum Temperieren eingesetzt werden kann.
2 zeigt eine Prinzipdarstellung der Vorrichtung 10, bei welcher die Induktionselemente 14 in jeweilige Ruhestellungen bewegt sind. Man erkennt, dass die Antriebsmittel 16 aus dem Arbeitsraum 12 geführt sind, so dass die Induktionselemente 14 in der Ruhestellung außerhalb des Arbeitsraums 12 angeordnet werden. Damit werden eine Störung des Pulverauftrags und/oder eines Verfestigungsvorgangs zuverlässig ausgeschlossen.
3 zeigt einen schematischen Querschnitt der Vorrichtung 10. Es wird deutlich, dass die Endbereiche 14a, 14b jedes Induktionselements 14 in jeweilige Zwischenräume zwischen zwei Schienen 20 eingreifen und abwechselnd mit jeweils zwei Schienen 20 in Anlage bringbar bzw. galvanisch verbindbar sind. Die jeweils benachbarten Schienen 20 im Bereich eines Antriebsmittels 16 liegen auf unterschiedlichen elektrischen Potenzialen (+/– Pole). Entsprechend liegen die gegenüberliegenden Schienen 20 auf jeweils entgegen gesetzten elektrischen Potenzialen (–/+ Pole), so dass in jeder Stellung des Induktionselements 14 eine gewünschte positive oder negative Potenzialdifferenz zwischen den Endbereichen 14a, 14b anliegt. Eine Umpolung des Induktionselements 14 ist damit durch einfaches Hin- und Herbewegen zwischen den Schienen 20 gemäß Doppelpfeil III möglich. Dies kann beispielsweise mit Hilfe einer zugeordneten Steuereinrichtung (nicht gezeigt) bedarfsgerecht initialisiert bzw. durchgeführt werden. Gleichzeitig bilden die Schienen 20 damit Führungskulissen 22 für die Endbereiche 14a, 14b der Induktionselemente 14 und sorgen damit einerseits für die Stromversorgung, während sie andererseits die zulässigen Raumpfade definieren, entlang welcher die Induktionselemente 14 bewegbar sind.
Bezugszeichenliste

10: Vorrichtung
12: Arbeitsraum
14: Induktionselement
14a: Endbereich
14b: Endbereich
16: Antriebsmittel
18: Bauplattform
20: Schiene
22: Führungskulisse
P: Kreuzungsbereich

Claims

Vorrichtung (10) zum induktiven Temperieren wenigstens eines Bauteils, insbesondere eines Gastriebwerkbauteils, umfassend: – einen Arbeitsraum (12); und – eine Temperiereinrichtung, welche wenigstens ein Induktionselement (14) zum induktiven Temperieren wenigstens eines Bereichs im Arbeitsraum (12) aufweist, in welchem das wenigstens eine Bauteil anordenbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass elektrische Pole des wenigstens einen Induktionselements (14) einander gegenüberliegend angeordnet sind.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiereinrichtung mindestens zwei und vorzugsweise mindestens vier Induktionselemente (14) aufweist, wobei die elektrischen Pole jedes Induktionselements (14) jeweils einander gegenüberliegend angeordnet sind.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Induktionselement (14) einen draht- und/oder stabförmigen Leiter aufweist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Induktionselemente (14) parallel zueinander angeordnet sind und/oder dass wenigstens zwei Induktionselemente (14) in einem Winkel, insbesondere senkrecht zueinander angeordnet sind.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Induktionselement (14) relativ zum Arbeitsraum (12) und/oder relativ zu wenigstens einem weiteren Induktionselement (14) translatorisch und/oder rotatorisch bewegbar ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einem Induktionselement (14) zumindest eine Führungskulisse (22) zugeordnet ist, entlang welcher das Induktionselement (14) bewegbar ist und/oder dass wenigstens ein Induktionselement (14) in eine Ruhestellung bewegbar ist, in welcher das Induktionselement (14) eine Aufbau- und Fügezone der Vorrichtung (10) freigibt und/oder außerhalb des Arbeitsraums (12) angeordnet ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einem Induktionselement (14) zwei einander gegenüberliegende Führungskulissen (22) zugeordnet sind, wobei die zwei Führungskulissen (22) mit unterschiedlichen elektrischen Potenzialen beaufschlagbar sind.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass dem wenigstens einen Induktionselement (14) ein steuer- und/oder regelbares Antriebsmittel (16) zugeordnet ist, mittels welchem das Induktionselement (14) relativ zum Arbeitsraum (12) bewegbar ist.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Induktionselement (14) innen hohl und/oder mit einem Kühlmedium beaufschlagbar ist.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Induktionselement (14) bezüglich der Aufbau- und Fügezone der Vorrichtung (10) oberhalb wenigstens eines weiteren Induktionselements (14) angeordnet ist.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, mittels welcher die elektrische Polarität wenigstens eines Induktionselements (14) umkehrbar ist.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine Schweißeinrichtung und/oder wenigstens eine Strahlungsquelle zum Erzeugen wenigstens eines Hochenergiestrahls, mittels welchem ein Werkstoff im Arbeitsraum (12) lokal zu mindestens einer Bauteilschicht verfestigbar ist, umfasst.
Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei welchem mittels wenigstens eines Induktionselements (14) der Temperiereinrichtung wenigstens ein Bereich im Arbeitsraum (12) induktiv temperiert wird, wobei elektrische Pole des wenigstens einen Induktionselements (14) einander gegenüberliegend angeordnet werden.
Verfahren nach Anspruch 13, bei welchem mindestens zwei Induktionselemente (14) kreuzförmig angeordnet werden, wobei ein Kreuzungsbereich (P) der Induktionselemente (14) oberhalb einer Aufbau- und Fügezone angeordnet wird, und/oder bei welchem mindestens zwei Induktionselemente (14) gleichsinnig oder entgegensetzt gepolt werden und/oder bei welchem mindestens zwei Induktionselemente (14) relativ zueinander bewegt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, bei welchem eine Schutzgasströmung zumindest in dem induktiv temperierten Bereich des Arbeitsraums (12) erzeugt wird.