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WO2016091629A1 - Verfahren zum herstellen eines kompressorlaufrads - Google Patents

Verfahren zum herstellen eines kompressorlaufrads Download PDF

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WO2016091629A1
WO2016091629A1 PCT/EP2015/078004 EP2015078004W WO2016091629A1 WO 2016091629 A1 WO2016091629 A1 WO 2016091629A1 EP 2015078004 W EP2015078004 W EP 2015078004W WO 2016091629 A1 WO2016091629 A1 WO 2016091629A1
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compressor impeller
printing
model
casting
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Olaf HANNEMANN
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
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    • F04D29/26—Rotors specially for elastic fluids
    • F04D29/32—Rotors specially for elastic fluids for axial flow pumps
    • F04D29/321—Rotors specially for elastic fluids for axial flow pumps for axial flow compressors

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a compressor impeller by means of a casting process.
  • Compressor wheels provide that casting even complex compressor wheels without the need for post-processing of the blades and the blade channels allows.
  • Compressor impeller the compressor impeller is poured by means of a casting mold.
  • the mold is produced by means of 3D printing.
  • Al ⁇ ternative is by means of 3D printing a model of the
  • the method of the invention offers the possibility, and compressor wheels with complex geometries to pour without the post-processing that after casting of the blades and
  • Blade channels on the cast compressor impeller are needed.
  • the models used to date for the production of the molds usually wooden models, are too inaccurate for producing highly complex compressor wheel geometries.
  • the shapes and models that are typically one-time or disposable form ⁇ models, so-called lost molds or models must be newly prepared for each font, which in the case of a mold produced by 3D printing or produced by means of a 3D Printing Model is easier to do than in the case of a wooden model. This not only makes models more accurate, but also faster.
  • the mold may comprise at least one casting core is produced by 3D printing, or produced on the basis of a model which is by means of 3D printing Herge ⁇ represents.
  • the compressor impeller can be produced for example by means of a sand casting process.
  • the sand mold can be produced directly by means of a 3D printing on the basis of a sandy printing ⁇ material.
  • Possibility to create a model of the Kompressorlauf ⁇ rads by means of 3D printing from which a casting mold used in the casting process is then molded.
  • a precision casting method may be used, in which then typically formed by 3D printing a from the finished form chemically way removable, Castable or ausschmelzba ⁇ res lost pattern, for example.
  • En wax model for the casting of the compressor impeller But even with the sand casting process, the model can be a lost model.
  • FIG. 1 shows a flow chart for a first exemplary embodiment of the method according to the invention.
  • Figure 2 shows a flow chart for a second
  • a sand mold is used for the casting by means of 3D casting.
  • 3D data are used, which represent the negative contour of the compressor impeller to be cast.
  • the mold can be made reproducible 3D printing or may subsequently be reproducibly prepared to form composited moldings. Moldings of the mold can either be different sections of the mold and / or cast cores to be inserted into the mold.
  • step S2 the liquid metal from which the compressor impeller ⁇ is to be produced, poured through a pouring port in the mold.
  • metals are, for example, titanium, aluminum or steels in question.
  • the mold After curing of the cast metal in the mold, the mold is removed from the compressor impeller in step S3, whereby a destruction of the mold takes place, which is why the mold is a ver ⁇ Loren shape.
  • a second exemplary embodiment of the method according to the invention is described below with reference to FIG.
  • a model of the compressor impeller used for manufacturing the mold is manufactured by means of 3D printing.
  • the first step of the method according to the second Sil exporting ⁇ approximately example is accordingly producing a
  • Compressor wheel model by means of 3D printing wherein stored ⁇ 3D data representing the contour of the compressor wheel, are used to build the compressor wheel model layer by layer, for example, from a plastic, a wax or a metal.
  • the compressor impeller model is built up in layers from a polymer material which can be thermally or chemically decomposed.
  • step S12 the model is surrounded with a plurality of successively auf ⁇ brought ceramic layers and fired, the model is thermally decomposed.
  • han ⁇ it delt is a lost pattern.
  • the metal from which the compressor impeller is to be manufactured is poured into the ceramic casting mold in step S13.
  • suitable metals are, for example, steels, aluminum or titanium.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Herstellen eines Kompressorlaufrads zur Verfügung gestellt, in dem das Kompressorlaufrad mit Hilfe einer Gussform gegossen wird. In einer ersten Alternative wird die Gussform wird mittels 3D-Drucks hergestellt. In einer zweiten Alternative wird mittels 3D-Drucks ein Modell des Kompressorlaufrads erstellt, anhand dessen dann die Gussform hergestellt wird.

Description

Verfahren zum Herstellen eines Kompressorlaufrads
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Kompressorlaufrads mittels eines Gussverfah- rens .
Obwohl heutzutage bereits Gussverfahren beim Herstellen von Kompressorlaufrädern Verwendung finden, können komplexe Laufräder nicht in ihrer endgültigen Form gegossen werden. Statt- dessen muss das gegossene Laufrad nachbearbeitet werden, um zu seiner endgültigen Form zu gelangen, wie dies beispielsweise in JP S58119998 A beschrieben ist. Aus US 2002/0187060 AI ist außerdem ein Laufrad bekannt, dass mittels eines Gie߬ prozesses hergestellt werden kann. Im Vergleich zu anderen Laufrädern ist in diesem Laufrad die Geometrie jedoch im Hinblick auf das Herstellen mittels des Gussverfahrens verein¬ facht worden. Kompressorlaufräder mit im Hinblick auf die Aerodynamik optimierten Schaufelgeometrien sind jedoch erheblich komplexer und können nicht ohne weiteres mittels eines Gießverfahrens hergestellt werden.
Gegenüber diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Herstellen von
Kompressorlaufrädern zur Verfügung zu stellen, dass ein Gie- ßen auch komplexer Kompressorlaufräder ohne die Notwendigkeit einer Nachbearbeitung der Schaufeln und der Schaufelkanäle ermöglicht .
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Herstellen eines Kompressorlaufrads nach Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen An¬ sprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Im erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines
Kompressorlaufrades wird das Kompressorlaufrad mit Hilfe ei- ner Gussform gegossen. In einer ersten Alternative wird die Gussform mittels 3D-Drucks hergestellt. In einer zweiten Al¬ ternative wird mittels 3D-Drucks ein Modell des
Kompressorlaufrades hergestellt anhand dessen dann die Guss- form hergestellt wird. Mit anderen Worten, entweder die Guss¬ form selbst oder das für den Herstellungsprozess der Gussform verwendete Modell werden mittels einer 3D-Drucktechnik herge¬ stellt. Dies ermöglicht es, Formen bzw. Modelle mit komplexen Geometrien herzustellen, die dann im Falle einer mittels 3D- Drucks hergestellten Form direkt für den Gießprozess einge¬ setzt werden können oder im Falle eines mittels 3D-Drucks hergestellten Modells zum Herstellen der beim Gießprozess verwendeten Gussform herangezogen werden können.
Aufgrund der Möglichkeit, auch hochkomplexe Geometrien mit¬ tels eines 3D-Drucks präzise und reproduzierbar herzustellen, bietet das erfindungsgemäße Verfahren die Möglichkeit, auch Kompressorlaufräder mit komplexen Geometrien zu gießen, ohne dass nach dem Guss Nachbearbeitung des Schaufeln und der
Schaufelkanäle am gegossenen Kompressorlaufrad nötig sind. Die bisher zum Herstellen der Gussformen verwendeten Modelle, üblicherweise Holzmodelle, sind dagegen zum Herstellen hoch komplexer Kompressorlaufradgeometrien zu ungenau. Außerdem müssen die Formen und Modelle, die typischerweise Einmal¬ formen bzw. Einmalmodelle, sogenannte verlorene Formen bzw. Modelle, sind, für jeden Guss neu hergestellt werden, was im Falle einer mittels 3D-Drucks hergestellten Form bzw. eines mittels 3D-Drucks hergestellten Modells einfacher zu bewerk- stelligen ist, als im Falle eines Holzmodells. Dadurch lassen sich Modelle nicht nur genauer, sondern auch schneller herstellen .
Die Gussform kann wenigstens einen Gusskern umfassen, der mittels 3D-Drucks hergestellt wird oder der auf der Basis eines Modells hergestellt wird, das mittels 3D-Drucks herge¬ stellt wird.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Kompres- sorlaufrad beispielsweise mittels eines Sandgussverfahrens hergestellt werden. In diesem Fall kann die Sandform direkt mittels eines 3D-Drucks auf der Basis eines sandigen Druck¬ materials hergestellt werden. Alternativ besteht auch die Möglichkeit, mittels 3D-Druck ein Modell des Kompressorlauf¬ rads zu erstellen, von dem eine beim Gussverfahren verwendete Gussform dann abgeformt wird. Alternativ zur Verwendung eines Sandgussverfahrens kann für das Gießen des Kompressorlaufrads ein Feingussverfahren zur Anwendung kommen, in dem dann typischerweise mittels 3D-Drucks ein aus der fertigen Form auf chemisch Weise entfernbares, ausbrennbares oder ausschmelzba¬ res verlorenes Modell, bspw. en Wachsmodell, geformt wird. Aber auch beim Sandgussverfahren kann das Modell ein verlore- nes Modell sein.
Durch die Verwendung eines 3D-Drucks auf der Basis von 3D- Daten zum Heerstellen eine Modells des zu gießenden
Kompressorrads oder zum Herstellen der Gussform des zu gie- ßenden Kompressorrads lässt sich bei der Laufradfertigung mit wesentlich engeren Toleranzen arbeiten, die es ermöglichen, auch Kompressorlaufräder mit komplexen Geometrien durch Gussverfahren herzustellen. Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren . Figur 1 zeigt ein Ablaufdiagram für ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Figur 2 zeigt ein Ablaufdiagramm für ein zweites
Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfah- rens .
Nachfolgend wird mit Bezug auf Fig. 1 ein erstes Ausführungs¬ beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben, in dem ein Kompressorlaufrad mittels eines Sandgussverfahrens herge- stellt wird.
Im ersten Schritt Sl des Sandgussverfahrens des ersten Aus¬ führungsbeispiels wird eine Sandform für den Guss mittels 3D- Drucks hergestellt. Für den 3D-Druck finden gespeicherte 3D- Daten Verwendung, welche die Negativkontur des zu gießenden Kompressorlaufrads repräsentieren. Durch schichtweises Auf¬ bringen von Sandpartikeln kann beim 3D-Druck die Form repro- duzierbare hergestellt werden oder können anschließend zu der Form zusammenzusetzende Formteile reproduzierbar hergestellt werden. Formteile der Form können dabei entweder unterschiedliche Abschnitte der Form und/oder in die Form einzusetzende Gusskerne sein.
Im Schritt S2 wird flüssiges Metall, aus dem das Kompressor¬ laufrad hergestellt werden soll, durch eine Einfüllöffnung in die Form eingegossen. Als Metalle hinkommen beispielsweise Titan, Aluminium oder Stähle in Frage.
Nach dem Aushärten des in die Form eingegossenen Metalls wird in Schritt S3 die Form vom Kompressorlaufrad entfernt, wobei eine Zerstörung der Form erfolgt, weshalb die Form eine ver¬ lorene Form ist.
Ein zweites Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Ver¬ fahren wird nachfolgend mit Bezug auf Figur 2 beschrieben. In diesem Ausführungsbeispiel wird nicht die Gussform selbst, sondern ein zum Herstellen der Gussform verwendetes Modell des Kompressorlaufrads mittels 3D-Drucks hergestellt. Der erste Schritt Sil des Verfahrens gemäß des zweiten Ausfüh¬ rungsbeispiels ist dementsprechend das Herstellen eines
Kompressorlaufradmodells mittels 3D-Drucks, wobei gespei¬ cherte 3D-Daten, welche die Kontur des Kompressorlaufrads re- präsentieren, zur Anwendung kommen, um das Kompressorlaufradmodell Schicht für Schicht bspw. aus einem Kunststoff, einem Wachs oder einem Metall aufzubauen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird das Kompressorlaufradmodell aus einem Polymermaterial, welches sich thermisch oder chemisch zerset- zen lässt, schichtweise aufgebaut.
Im Schritt S12 wird das Modell mit mehreren nacheinander auf¬ gebrachten Keramikschichten umgeben und nachfolgend gebrannt, wobei das Modell thermisch zersetzt wird. Auch hierbei han¬ delt es sich um ein verlorenes Modell.
Nachdem die Keramikgussform gebrannt und dabei das Modell thermisch zersetzt worden ist, wird in Schritt S13 das Me- tall, aus dem das Kompressorlaufrad hergestellt werden soll, in die Keramikgussform eingegossen. Wie in der ersten Ausfüh- rungsform kommen als geeignete Metalle beispielsweise Stähle, Aluminium oder Titan in Frage.
Nach dem Aushärten des Metalls wird die Keramikgussform in Schritt S14 vom Kompressorlaufrad entfernt, wobei die Kera¬ mikgussform zerstört wird. Die vorliegende Erfindung wurde zu Erläuterungszwecken anhand zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert. Der Fachmann er¬ kennt jedoch, dass im Rahmen der Erfindung Abweichungen von den Ausführungsbeispielen möglich sind. So kann beispielsweise statt eines chemisch oder thermisch zersetzbaren Kunst- Stoffs für das Herstellen des Kompressorlaufradmodells im zweiten Ausführungsbeispiel ein Kunststoff, ein Wachs oder ein Metall Verwendung finden, der bzw. das sich durch Ausschmelzen aus der ausgehärteten Keramikform entfern lässt. Dies bietet den Vorteil, dass das ausgeschmolzene Material zum Herstellen weiterer Komressorlaufradmodelle Verwendung finden kann. Die vorliegende Erfindung soll daher nicht aus¬ schließlich durch die Merkmalskombinationen einzelner Ausführungsbeispiele beschränkt sein, sondern lediglich durch die angehängten Ansprüche.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Herstellen eines Kompressorlaufrads,
in dem das Kompressorlaufrad mit Hilfe einer Gussform gegossen wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Gussform mittels 3D-Drucks hergestellt wird (Sl) oder mittels 3D-Drucks ein Modell des Kompressorlaufrads erstellt wird (Sil) ,
anhand dessen dann die Gussform hergestellt wird (S12) .
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Gussform wenigstens einen Gusskern umfasst, der mittels 3D-Drucks hergestellt wird oder
der auf der Basis eines Modells hergestellt wird, das mit¬ tels 3D-Drucks erstellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Gussform eine verloren Form ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Kompressorlaufrad mittels eines Keramikgussverfahrens oder mittels eines Sandgussverfahrens oder mittels eines Feingussverfahrens gegossen wird.
5. Verfahren nach Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
als Modell zum Erstellen der Gussform ein verlorenes Modell Verwendung findet.
PCT/EP2015/078004 2014-12-12 2015-11-30 Verfahren zum herstellen eines kompressorlaufrads WO2016091629A1 (de)

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