DE102018203273A1

DE102018203273A1 - Induktionsheizvorrichtung, Vorrichtung zur additiven Herstellung zumindest eines Bauteilbereichs eines Bauteils mit einer solchen Induktionsheizvorrichtung, Verfahren zum induktiven Erwärmen eines Bauteilbereichs und Bauteil für eine Strömungsmaschine

Info

Publication number: DE102018203273A1
Application number: DE102018203273.4A
Authority: DE
Inventors: Johannes Casper; Herbert Hanrieder; Jana Barabas
Original assignee: MTU Aero Engines AG
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2018-03-06
Filing date: 2018-03-06
Publication date: 2019-09-12

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Induktionsheizvorrichtung (10), insbesondere zur Verwendung in einer Vorrichtung (100) zur additiven Herstellung zumindest eines Bauteilbereichs (12) eines Bauteils (14), umfassend mindestens zwei Induktionsspulen (30, 50), von welchen eine erste Induktionsspule (30) zumindest eine erste Spulenwindung (32) und eine zweite Induktionsspule (50) zumindest eine zweite Spulenwindung (52) aufweist. Die zumindest eine erste Spulenwindung (32) und die zumindest eine zweite Spulenwindung (52) sind miteinander verschränkt und bilden dadurch einen sich wenigstens bereichsweise durch die mindestens zwei Induktionsspulen (30, 50) erstreckenden Innenraum (80) aus. Weitere Aspekte der Erfindung betreffen eine Vorrichtung (100) zur additiven Herstellung zumindest eines Bauteilbereichs (12) eines Bauteils (14), umfassend mindestens eine Induktionsheizvorrichtung (10), ein Verfahren zum induktiven Erwärmen eines Bauteilbereichs (12) und/oder eines Bauteilwerkstoffs sowie ein Bauteil (14) für eine Strömungsmaschine.

Description

Die Erfindung betrifft eine Induktionsheizvorrichtung, insbesondere zur Verwendung in einer Vorrichtung zur additiven Herstellung zumindest eines Bauteilbereichs eines Bauteils, umfassend mindestens zwei Induktionsspulen, von welchen eine erste Induktionsspule zumindest eine erste Spulenwindung und eine zweite Induktionsspule zumindest eine zweite Spulenwindung aufweist. Weitere Aspekte der Erfindung betreffen eine Vorrichtung zur additiven Herstellung zumindest eines Bauteilbereichs eines Bauteils, ein Verfahren zum induktiven Erwärmen eines Bauteilbereichs sowie ein Bauteil für eine Strömungsmaschine.
Induktionsheizvorrichtungen, Vorrichtungen mit mindestens einer Induktionsheizvorrichtung sowie Verfahren zur induktiven Erwärmung von Bauteilbereichen oder eines Bauteilwerkstoffs sind in einer großen Vielzahl bekannt. Insbesondere kommen diese auch bei so genannten additiven bzw. generativen Fertigungsverfahren (sog. Rapid Manufacturing- bzw. Rapid Prototyping-Verfahren) zum Einsatz. Bei additiven Fertigungsverfahren wird das Bauteil, bei dem es sich beispielsweise um ein Bauteil einer Strömungsmaschine bzw. eines Flugtriebwerks handeln kann, schichtweise aufgebaut. Vorwiegend metallische Bauteile können beispielsweise durch Laser- bzw. Elektronenstrahlschmelzverfahren hergestellt werden. Dabei wird zunächst schichtweise mindestens ein pulverförmiger Bauteilwerkstoff im Bereich einer Aufbau- und Fügezone aufgetragen, um eine Pulverschicht zu bilden. Anschließend wird der Bauteilwerkstoff lokal verfestigt, indem dem Bauteilwerkstoff im Bereich der Aufbau- und Fügezone Energie mittels wenigstens eines Hochenergiestrahls zugeführt wird, wodurch der Bauteilwerkstoff schmilzt bzw. sintert und eine Bauteilschicht bildet. Der Hochenergiestrahl wird dabei üblicherweise 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 eine Bauplattform 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 Bauplattform 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.
Eine Vorrichtung zur generativen Herstellung von Bauteilen mittels selektivem Bestrahlen eines Pulverbettes ist aus der EP 2 789 413 A1 bekannt. Die Vorrichtung umfasst mehrere Induktionsspulen, welche unabhängig voneinander relativ zu dem Pulverbett bewegbar sind. Die Induktionsspulen können entlang zweier gekreuzt zueinander angeordneter Schienenanordnungen verschoben und in zueinander gekreuzter Anordnung betrieben werden.
Aus der EP 1 968 355 A1 ist eine Induktionsspule zum induktiven Erwärmen von Werkstücken bekannt. Die Induktionsspule weist eine Mehrzahl von Windungen auf, wobei eine der Windungen teilweise flächig ausgebildet und zur induktiven Beeinflussung durch zumindest einen Teil der übrigen Windungen angeordnet ist.
Die EP 3 048 859 A1 beschreibt eine Induktionsheizspule mit einer Primärspule, an welche elektrische Energie geliefert wird und einer ringförmigen Sekundärspule, welche einen geschlossenen Stromkreis bildet, wobei die Primärspule einen Basisseitenabschnitt umfasst, der einen Außenumfang der Sekundärspule bedeckt.
Die US 9346099 B2 beschreibt eine Vorrichtung mit einer ersten Induktionsspule und einer zweiten Induktionsspule, welche konfiguriert sind, um eine Material in einem Gefäß zu schmelzen. Die erste Induktionsspule und die zweite Induktionsspule umfassen jeweils eine vorbestimmte Anzahl von Windungen, welche im Wesentlichen um das Gefäß herum angeordnet sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Induktionsheizvorrichtung, eine Vorrichtung zur additiven Herstellung zumindest eines Bauteilbereichs eines Bauteils sowie ein Verfahren zum induktiven Erwärmen eines Bauteilbereichs und/oder eines Bauteilwerkstoffs bereitzustellen, durch welche eine gleichmäßige Erwärmung eines Bauteilbereichs ermöglicht ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein entsprechend gefertigtes Bauteil mit einer verbesserten Qualität bereitzustellen.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch eine Induktionsheizvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9, durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12 sowie durch ein Bauteil gemäß Patentanspruch 14 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen jedes Erfindungsaspekts als vorteilhafte Ausgestaltungen der jeweils anderen Erfindungsaspekte anzusehen sind.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Induktionsheizvorrichtung, insbesondere zur Verwendung in einer Vorrichtung zur additiven Herstellung zumindest eines Bauteilbereichs eines Bauteils, umfassend mindestens zwei Induktionsspulen, von welchen eine erste Induktionsspule zumindest eine erste Spulenwindung und eine zweite Induktionsspule zumindest eine zweite Spulenwindung aufweist.
Um eine gleichmäßige Erwärmung eines Bauteilbereichs zu ermöglichen, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die zumindest eine erste Spulenwindung und die zumindest eine zweite Spulenwindung miteinander verschränkt sind und dadurch einen sich wenigstens bereichsweise durch die mindestens zwei Induktionsspulen erstreckenden Innenraum ausbilden. Dies ist von Vorteil, da bei einer Bestromung (Versorgen mit Strom, also mit elektrischer Energie) der Induktionsspulen, deren jeweilige Spulenwindungen miteinander verschränkt sind, ein durch die Induktionsspulen erzeugtes Magnetfeld im Bereich des Innenraums eine besonders hohe Feldstärke aufweisen und zudem besonders homogen ausgebildet sein kann. Dadurch ist eine besonders gleichmäßige Erwärmung des Bauteilbereichs ermöglicht.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich Induktionsspulen bei deren Bestromung gegenseitig hinsichtlich ihrer Magnetfeldausbildung beeinflussen können, sodass ein infolge der Bestromung der Induktionsspulen erzeugtes gemeinsames Magnetfeld infolge einer konstruktiven Feldlinienüberlagerung jeweiliger, durch die unterschiedlichen Induktionsspulen erzeugter, Feldlinien zumindest bereichsweise besonders stark ausgebildet sein kann. An anderen Bereichen hingegen kann das Magnetfeld infolge einer destruktiven Überlagerung der jeweiligen Feldlinien der Induktionsspulen zumindest weitgehend ausgelöscht werden.
Unter dem Ausdruck „verschränkt“ ist im Rahmen der Erfindung zu verstehen, dass es bei einer Relativbewegung der beiden Spulenwindungen zueinander um einen bestimmten Betrag zu einem Verhaken, also einer Kollision der Spulenwindung miteinander kommen kann. „Verschränken“ steht hierbei also nicht dafür, dass sich die Spulenwindungen lediglich kreuzen, sondern derart ineinander verschoben sind, dass sich die Spulenwindungen gegenseitig durchdringen. Während bei einem Kreuzen von Induktionsspulen lediglich deren Überlappung in zwei Raumrichtungen erfolgt, kann durch Verschränken eine Überlappung in drei Raumrichtungen erzielt werden.
Zur additiven Herstellung des Bauteilbereichs kann beispielsweise ein Hochenergiestrahl durch den Innenraum hindurch und auf den Bauteilbereich bzw. einen Bauteilwerkstoff des Bauteils emittiert werden. Der Innenraum kann dementsprechend eine Durchgangsöffnung ausbilden, welche sich durch die wenigstens zwei Induktionsspulen und dabei durch die zumindest eine erste Spulenwindung und durch die zumindest eine zweite Spulenwindung erstreckt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist wenigstens die erste Spulenwindung einen, mit wenigstens einer Krümmung versehenen Endbereich auf, durch welchen zwei Schenkel der ersten Spulenwindung miteinander verbunden sind. Dies ist von Vorteil, da durch die, über den Endbereich miteinander verbundenen Schenkel eine kompakte Ausbildung der ersten Spulenwindung erfolgen kann, wobei die Schenkel in einer gemeinsamen Ebene liegen können. Ebenso kann auch die zweite Spulenwindung einen entsprechenden, mit einer zweiten Krümmung versehenen, zweiten Endbereich aufweisen, durch welchen zwei Schenkel der zweiten Spulenwindung miteinander verbunden sein können.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist an dem Endbereich zumindest eine Aufnahmekrümmung vorgesehen, welche zumindest einen Spulenwindungsabschnitt der zweiten Spulenwindung bereichsweise umgibt, wobei sich die zumindest eine Aufnahmekrümmung und die wenigstens eine Krümmung in voneinander verschiedenen Ebenen erstrecken. Dies ist von Vorteil, da die jeweiligen Spulenwindung, also die zumindest eine erste Spulenwindung und die zumindest eine zweite Spulenwindung, durch die Aufnahmekrümmung besonders platzsparend miteinander verschränkt sein können. Dadurch können die jeweiligen Spulenwindung zumindest abschnittsweise in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sein, sodass eine Erzeugung eines besonders homogenen Magnetfelds durch Bestromung (Bestromen) der jeweiligen Induktionsspulen ermöglicht ist.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die erste Spulenwindung und die zweite Spulenwindung jeweils bereichsweise parallel zueinander oder in einem spitzen Winkel zueinander orientiert. Dies ist von Vorteil, da durch das parallele Orientieren eine Ausbildung eines besonders homogenen Magnetfelds ermöglicht ist. Eine Anordnung in einem spitzen Winkel ermöglicht eine einfache Ausrichtung der jeweiligen Spulenwindungen an eine komplexe Bauteilgeometrie.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die erste Spulenwindung und die zweite Spulenwindung jeweils bereichsweise tangential zu einer gemeinsamen Ausrichtungsebene orientiert. Dies ist von Vorteil, da hierdurch ein besonders homogenes Magnetfeld in der Ausrichtungsebene oder in einer dazu parallelen Ebene erzeugt werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die erste Induktionsspule und/oder die zweite Induktionsspule mittels wenigstens eines zugeordneten Antriebsmittels verfahrbar. Dies erlaubt eine einfache, präzise und prozesssichere Positionierung der betreffenden Induktionsspule und eine entsprechend zuverlässige und präzise induktive Erwärmung des gewünschten Bereichs.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die erste Induktionsspule und/oder die zweite Induktionsspule mittels des wenigstens einen zugeordneten Antriebsmittels translatorisch entlang mindestens einer Achse und/oder rotatorisch um die mindestens eine Achse bewegbar. Hierdurch können die Felder der Induktionsspulen optimal überlagert werden, um eine selektive Erwärmung eines ausgewählten Bereichs zu ermöglichen.
Vorzugsweise sind die erste Induktionsspule und die zweite Induktionsspule jeweils unabhängig relativ zueinander bewegbar, wodurch eine besonders selektive induktive Erwärmung erfolgen kann. Dabei können die wenigstens zwei Induktionsspulen vorzugsweise zumindest in einem Bewegungsbereich kollisionsfrei relativ zueinander bewegbar sein, auch wenn diese miteinander verschränkt sind. Unter „kollisionsfrei“ ist dabei zu verstehen, dass die wenigstens zwei Induktionsspulen zumindest in dem Bewegungsbereichs relativ zueinander bewegbar sind, ohne dass sich die wenigstens zwei Induktionsspulen gegenseitig berühren.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die Induktionsheizvorrichtung eine Steuereinrichtung zur Steuerung und/oder Regelung einer jeweiligen Position und/oder Heizleistung der ersten Induktionsspule und/oder der zweiten Induktionsspule. Die Steuereinrichtung kann vorteilhaft mit einer Recheneinrichtung einer Vorrichtung zur additiven Herstellung zumindest eines Bauteilbereichs eines Bauteils zum Datenaustausch koppelbar sein. Alternativ kann die Steuereinrichtung Bestandteil einer Vorrichtung zur additiven Herstellung zumindest eines Bauteilbereichs eines Bauteils sein. Die Recheneinrichtung kann zur Steuerung und/oder Regelung der Vorrichtung zur additiven Herstellung ausgebildet sein.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur additiven Herstellung zumindest eines Bauteilbereichs eines Bauteils, insbesondere eines Bauteils einer Strömungsmaschine, umfassend mindestens eine Induktionsheizvorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, zum Erwärmen eines Bauteilwerkstoffs und/oder des Bauteilbereichs vor, während und/oder nach der Beaufschlagung mittels wenigstens eines Hochenergiestrahls in einer Aufbau- und Fügezone der Vorrichtung. Die sich hieraus ergebenden 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. Durch eine derartige Vorrichtung ist also eine besonders gleichmäßige Erwärmung des Bauteilbereichs ermöglicht.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die Vorrichtung mindestens eine Temperaturmesseinrichtung zur Temperaturmessung des Bauteilwerkstoffs und/oder des Bauteilbereichs zumindest im Bereich der Aufbau- und Fügezone der Vorrichtung. Durch die Temperaturmesseinrichtung kann vorteilhafterweise die Temperatur innerhalb der Aufbau- und Fügezone kontrolliert werden. Bei Abweichungen kann zum Beispiel durch eine Bewegung wenigstens einer der Induktionsspulen relativ zur Aufbau- und Fügezone und/oder durch eine Bewegung der wenigstens zwei Induktionsspulen relativ zueinander und/oder durch das Aktivieren, Abschalten oder Variieren der Stromzufuhr der wenigstens zwei Induktionsspulen die Intensität eines mittels des gemeinsamen Magnetfelds der Induktionsspulen erzeugten tiefen Erwärmungsfeldes variiert und angepasst werden. Dies ermöglicht eine besonders präzise und situationsgerechte Ausprägung des induktiven Erwärmungsfeldes während der gesamten additiven Herstellung des Bauteils.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Vorrichtung eine Recheneinrichtung auf, welche dazu ausgebildet ist, die mindestens eine Induktionsheizvorrichtung in Abhängigkeit wenigstens eines Parameters aus der Gruppe Bauteilgeometrie, Art des Bauteilwerkstoffs, Temperatur des Bauteilwerkstoffs und Temperatur des Bauteilbereichs anzusteuern, um die erste Induktionsspule und/oder die zweite Induktionsspule zu positionieren und/oder zu betreiben. Hierdurch können Ort und Intensität einer induktiven Erwärmung optimal an den jeweiligen Einzelfall und eine konkrete Bausituation angepasst werden, wodurch qualitativ besonders hochwertige Bauteile herstellbar sind. Die Recheneinrichtung kann dabei beispielsweise eine Steuereinrichtung der Induktionsheizvorrichtung ansteuern. Die Recheneinrichtung und die Steuereinrichtung können also miteinander kommunizieren.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die Vorrichtung eine Strahlenquelle, zum Erzeugen des wenigstens einen Hochenergiestrahls. Dies ist von Vorteil, da die Vorrichtung dadurch eine funktionale Einheit zur additiven Herstellung des zumindest einen Bauteilbereichs bildet. Insbesondere kann dadurch auf den Einsatz von externen Strahlenquellen verzichtet werden.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum induktiven Erwärmen eines Bauteilbereichs und/oder eines Bauteilwerkstoffs, insbesondere bei der Herstellung eines Bauteils einer Strömungsmaschine, mittels einer Induktionsheizvorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, umfassend zumindest folgende Schritte:

- Positionieren der mindestens zwei Induktionsspulen der Induktionsheizvorrichtung im Bereich einer Aufbau- und Fügezone einer Vorrichtung; und
- Aktivieren wenigstens einer, der mindestens zwei Induktionsspulen zum induktiven Erwärmen des Bauteilwerkstoffs und/oder des Bauteilbereichs vor, während und/oder nach der Beaufschlagung mittels wenigstens eines Hochenergiestrahls. Die sich hieraus ergebenden Merkmale und deren Vorteile sind den Beschreibungen des ersten und des zweiten Aspekts der Erfindung zu entnehmen, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten und zweiten Aspekt der Erfindung als vorteilhafte Ausgestaltungen des dritten Aspekts der Erfindung und umgekehrt anzusehen sind.

In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden die mindestens zwei Induktionsspulen jeweils derart bestromt, dass ein dadurch erzeugtes Magnetfeld in dem Innenraum eine größere Feldstärke aufweist, als in an den Innenraum angrenzenden Bereichen. Dies ist von Vorteil, da hierdurch eine besonders gezielte Variation der Feldstärke an unterschiedlichen Bereichen des Magnetfelds ermöglicht ist. So kann das gemeinsame Magnetfeld der wenigstens zwei Induktionsspulen in dem Innenraum infolge konstruktiver Überlagerung eines mittels der ersten Induktionsspule erzeugten, ersten Magnetfelds mit einem, mittels der zweiten Induktionsspule erzeugten, zweiten Magnetfelds besonders homogen ausgebildet sein. Durch die konstruktive Überlagerung weist das gemeinsame Magnetfeld dabei eine besonders große Feldstärke sowie eine homogene Feldlinienverteilung in dem Innenraum auf, sodass an den Innenraum angrenzende Bereiche der Aufbau-und Fügezone besonders gleichmäßig und zügig erwärmt werden können. In den, an den Innenraum angrenzenden Bereichen der Aufbau-und Fügezone, in welchen der zumindest eine Bauteilbereich additiv hergestellt werden kann, kann dadurch ein besonders hoher Stromfluss durch den Bauteilbereich bei gleichzeitig homogener Erwärmung des Bauteilbereichs bewirkt werden. Dadurch können Spannungen im Bauteilbereich vermieden und das Bauteil insgesamt mit verbesserter Qualität hergestellt werden. An jeweiligen Außenseiten der verschiedenen Induktionsspulen bzw. der ersten Spulenwindung und der zweiten Spulenwindung können sich das erste Magnetfeld und das zweite Magnetfeld hingegen gegenseitig schwächen, also destruktiv überlagern und damit zumindest weitgehend gegenseitig auslöschen. Die Auslöschung kann dabei durch entgegengesetzte Polung jeweils benachbarter Spulenbereiche, beispielsweise Schenkel der jeweiligen Spulenwindung, bewirkt werden.
Ein vierter Aspekt der Erfindung betrifft ein Bauteil für eine Strömungsmaschine, insbesondere Verdichter- oder Turbinenbauteil. Um das Bauteil mit einer verbesserten Qualität bereitzustellen ist dieses zumindest bereichsweise oder vollständig durch ein Verfahren gemäß dem dritten Aspekts der Erfindung und/oder unter Verwendung einer Induktionsheizvorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung und/oder mittels einer Vorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung erhalten. Die sich hieraus ergebenden Merkmale und deren Vorteile gehen aus der Beschreibung des ersten, zweiten und dritten Aspekts der Erfindung hervor, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten, zweiten und dritten Aspekts der Erfindung als vorteilhafte Ausgestaltungen des vierten Aspekts der Erfindung und umgekehrt anzusehen sind.
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 auch Ausführungen und Merkmalskombinationen als offenbart anzusehen, die somit nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten unabhängigen Anspruchs aufweisen.
Dabei zeigen:

1 eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung zur additiven Herstellung zumindest eines Bauteilbereichs eines Bauteils mit einer Induktionsheizvorrichtung; und
2 eine Draufsicht auf eine erste Spulenwindung einer ersten Induktionsspule der Induktionsheizvorrichtung sowie auf eine zweite Spulenwindung einer zweiten Induktionsspule der Induktionsheizvorrichtung.

1 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung 100 zur additiven Herstellung zumindest eines Bauteilbereichs 12 eines Bauteils 14 mit einer Induktionsheizvorrichtung 10 und wird im Folgenden in Zusammenschau mit 2 erläutert, welche eine Draufsicht auf eine erste Spulenwindung 32 einer ersten Induktionsspule 30 der Induktionsheizvorrichtung 10 sowie auf eine zweite Spulenwindung 52 einer zweiten Induktionsspule 50 der Induktionsheizvorrichtung 10 zeigt. Die erste Induktionsspule 30 und die zweite Induktionsspule 50 sind in 1 jeweils geschnitten dargestellt. 1 und 2 zeigen jeweils ein, auf die Induktionsheizvorrichtung 10, bzw. die Induktionsspulen 30, 50 bezogenes Koordinatensystem mit jeweils senkrecht zueinander orientierten Achsen x, y, z. Die Achse x ist parallel zu einer Längserstreckungsrichtung der Induktionsspulen 30, 50 orientiert, die Achse y ist parallel zu einer Quererstreckungsrichtung der Induktionsspulen 30, 50 und die Achse z ist entlang einer Hocherstreckungsrichtung der Induktionsspulen 30, 50 orientiert.
Die Vorrichtung 100 dient zur additiven Herstellung des Bauteils 14 und ist vorliegend als selektive Laserschmelz- bzw. Lasersintervorrichtung (Selective Laser Melting, SLM) ausgebildet. Die Vorrichtung 100 umfasst eine Strahlenquelle 104, mittels welcher ein Hochenergiestrahl 102 in Form eines Lasers erzeugt und damit emittiert werden kann.
Der Hochenergiestrahl 102 trifft zur additiven Herstellung auf eine Auftrefffläche 107 im Bereich einer Aufbau- und Fügezone 106 der Vorrichtung 10 auf, um einen in der Aufbau- und Fügezone 106 vorhandenen, vorliegend pulverförmigen Bauteilwerkstoff des Bauteils 14 selektiv und schichtweise zu verfestigen. Bei dem Bauteil 14 kann es sich beispielsweise um ein Verdichter- oder Turbinenbauteil einer Gasturbine bzw. eines Flugtriebwerks handeln. Um den Hochenergiestrahl 102 entlang der Aufbau-und Fügezone 106 zu führen, umfasst die Vorrichtung 100 zumindest einen verstellbaren Spiegel 105, welcher verschwenkt werden kann, um den Hochenergiestrahl 102 mit den beiden Induktionsspulen 30, 50 mit zu bewegen.
Die Vorrichtung 100 umfasst zudem eine Temperaturmesseinrichtung 108 zur Temperaturmessung des Bauteilwerkstoffs und/oder des Bauteilbereichs 12 zumindest im Bereich der Aufbau-und Fügezone 106 der Vorrichtung 100.
Darüber hinaus umfasst die Vorrichtung 100 eine Recheneinrichtung 110, welche dazu ausgebildet ist, die mindestens eine Induktionsheizvorrichtung 10 in Abhängigkeit wenigstens eines Parameters aus der Gruppe Bauteilgeometrie, Art des Bauteilwerkstoffs, Temperatur des Bauteilwerkstoffs und Temperatur des Bauteilbereichs 12 anzusteuern, um die erste Induktionsspule 30 und/oder die zweite Induktionsspule 50 zu positionieren und/oder zu betreiben. Die Temperaturmesseinrichtung 108 ist signalübertragend mit der Recheneinrichtung 110 gekoppelt.
Die Induktionsheizvorrichtung 10 umfasst eine Steuereinrichtung 90 zur Steuerung und/oder Regelung einer jeweiligen Position und/oder Heizleistung der ersten Induktionsspule 30 sowie der zweiten Induktionsspule 50. Die Steuereinrichtung 90 ist mittels der Recheneinrichtung 110 ansteuerbar.
Die erste Induktionsspule 30 sowie die zweite Induktionsspule 50 sind mittels wenigstens eines zugeordneten Antriebsmittels 20 verfahrbar und dabei entlang der Achsen x, y, z bewegbar sowie um diese Achsen x, y, z verschwenkbar. Die vorliegend schematisch dargestellten Antriebsmittel können beispielsweise Linearmotoren zum Verstellen der Induktionsspulen 30, 50 umfassen. Die Antriebsmittel 20 sind mittels der Steuereinrichtung 90 und zusätzlich oder alternativ mittels der Recheneinrichtung 110 ansteuerbar.
Insbesondere in 2 ist erkennbar, dass die erste Spulenwindung 32 und die zweite Spulenwindung 52 miteinander verschränkt sind und dadurch einen sich wenigstens bereichsweise durch die zwei Induktionsspulen 30, 50 erstreckenden Innenraum 80 ausbilden. Durch diesen Innenraum 80, welcher zur Verdeutlichung in 2 mit einer Schraffur versehen ist, kann der Hochenergiestrahl 102 emittiert werden, um das schichtweise Verschmelzen des pulverförmigen Bauteilwerkstoffs bei der additiven Herstellung des Bauteils 14 zu bewirken, bzw. den Bauteilbereichs 12 zu erwärmen. Dadurch, dass die erste Spulenwindung 32 und die zweite Spulenwindung 52 miteinander verschränkt sind, überlappen sich die erste Spulenwindung 32 und die zweite Spulenwindung 52 in Längserstreckungsrichtung, Quererstreckungsrichtung und Hocherstreckungsrichtung.
Die erste Spulenwindung 32 weist einen, mit einer Krümmung 34 versehenen Endbereich 36 auf, durch welchen zwei Schenkel 38, 40 der ersten Spulenwindung 32 miteinander verbunden sind. Die zweite Spulenwindung 52 weist einen, mit einer Krümmung 54 versehenen Endbereich 56 auf, durch welchen zwei Schenkel 58, 60 der zweiten Spulenwindung 52 miteinander verbunden sind.
Die erste Spulenwindung 32 und die zweite Spulenwindung 52 sind jeweils bereichsweise tangential zu einer gemeinsamen, in 1 gezeigten Ausrichtungsebene 70 orientiert. Vorliegend sind dabei die jeweiligen Schenkel 38, 40 bzw. 58, 60 parallel zur Quererstreckungsrichtung y und damit parallel zueinander sowie tangential zur Ausrichtungsebene 70 orientiert.
An dem Endbereich 36 ist eine Aufnahmekrümmung 42 vorgesehen, welche einen Spulenwindungsabschnitt 64 der zweiten Spulenwindung 52 bereichsweise umgibt, wobei sich die Aufnahmekrümmung 42 und die Krümmung 34 in voneinander verschiedenen Ebenen erstrecken. An dem Endbereich 56 ist eine Aufnahmekrümmung 62 vorgesehen, welche einen Spulenwindungsabschnitt 44 der ersten Spulenwindung 32 bereichsweise umgibt, wobei sich die Aufnahmekrümmung 62 und die Krümmung 54 in voneinander verschiedenen Ebenen erstrecken. Die Aufnahmekrümmung 62 ist dabei ebenso, wie die in 1 in einer Seitenansicht gezeigte Aufnahmekrümmung 42 entlang der Achse z nach oben hin gekrümmt, wenngleich dies in 1 und 2 nicht explizit gezeigt bzw. nicht eindeutig erkennbar ist.
Die zwei Induktionsspulen 30, 50 können allgemein jeweils derart bestromt werden, dass ein dadurch erzeugtes Magnetfeld in dem Innenraum 80 eine größere Feldstärke aufweist, als in an den Innenraum 80 angrenzenden Bereichen. Eine Bestromung der jeweiligen Induktionsspulen 30, 50 kann dabei derart erfolgen, dass in der ersten Spulenwindung 32 ein erster Stromfluss in Richtung jeweiliger Pfeile 31 und in der zweiten Spulenwindung 52 ein zweiter Stromfluss in Richtung jeweiliger Pfeile 51 bewirkt wird.
Dadurch, dass die jeweiligen Spulenwindungen 32, 52 miteinander verschränkt sind, können Temperaturerhöhungen beim Bestromen (Einstellen des ersten Stromflusses und des zweiten Stromflusses) der jeweiligen Induktionsspulen 30, 50 unterhalb der jeweiligen Schenkel 38, 40 bzw. 58, 60, welche auch als Spulenholme bezeichnet werden können, vermieden werden. Darüber hinaus ist eine einfache Anpassung des Magnetfelds an das mit dem Hochenergiestrahl 102 zu beaufschlagende und damit zu belichtende Bauteil 14 ermöglicht. Zudem ergibt sich durch das Verschränken der Spulenwindungen 32, 52 eine besonders flache und damit kompakte Spulenanordnung. Die vorliegende Induktionsvorrichtung 10 vereinfacht allgemein auch die Verarbeitung schwer schweißbarer Materialien.
Bezugszeichenliste

10: Induktionsheizvorrichtung
12: Bauteilbereich
14: Bauteil
20: Antriebsmittel
30: Induktionsspule
31: Pfeil
32: erste Spulenwindung
34: Krümmung
36: Endbereich
38: Schenkel
40: Schenkel
42: Aufnahmekrümmung
44: Spulenwindungsabschnitt
50: Induktionsspule
51: Pfeil
52: zweite Spulenwindung
54: Krümmung
56: Endbereich
58: Schenkel
60: Schenkel
62: Aufnahmekrümmung
64: Spulenwindungsabschnitt
70: Ausrichtungsebene
80: Innenraum
90: Steuereinrichtung
100: Vorrichtung
102: Hochenergiestrahl
104: Strahlenquelle
105: Spiegel
106: Aufbau- und Fügezone
107: Auftrefffläche
108: Temperaturmesseinrichtung
110: Recheneinrichtung
x: Längserstreckungsrichtung
y: Quererstreckungsrichtung
z: Hocherstreckungsrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2789413 A1 [0003]
EP 1968355 A1 [0004]
EP 3048859 A1 [0005]
US 9346099 B2 [0006]

Claims

Induktionsheizvorrichtung (10), insbesondere zur Verwendung in einer Vorrichtung (100) zur additiven Herstellung zumindest eines Bauteilbereichs (12) eines Bauteils (14), umfassend mindestens zwei Induktionsspulen (30, 50), von welchen eine erste Induktionsspule (30) zumindest eine erste Spulenwindung (32) und eine zweite Induktionsspule (50) zumindest eine zweite Spulenwindung (52) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine erste Spulenwindung (32) und die zumindest eine zweite Spulenwindung (52) miteinander verschränkt sind und dadurch einen sich wenigstens bereichsweise durch die mindestens zwei Induktionsspulen (30, 50) erstreckenden Innenraum (80) ausbilden.
Induktionsheizvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens die erste Spulenwindung (32) einen, mit wenigstens einer Krümmung (34) versehenen Endbereich (36) aufweist, durch welchen zwei Schenkel (38, 40) der ersten Spulenwindung (32) miteinander verbunden sind.
Induktionsheizvorrichtung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Endbereich (36) zumindest eine Aufnahmekrümmung (42) vorgesehen ist, welche zumindest einen Spulenwindungsabschnitt (64) der zweiten Spulenwindung (52) bereichsweise umgibt, wobei sich die zumindest eine Aufnahmekrümmung (42) und die wenigstens eine Krümmung (34) in voneinander verschiedenen Ebenen erstrecken.
Induktionsheizvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Spulenwindung (32) und die zweite Spulenwindung (52) jeweils bereichsweise parallel zueinander oder in einem spitzen Winkel zueinander orientiert sind.
Induktionsheizvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Spulenwindung (32) und die zweite Spulenwindung (52) jeweils bereichsweise tangential zu einer gemeinsamen Ausrichtungsebene (70) orientiert sind.
Induktionsheizvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Induktionsspule (30) und/oder die zweite Induktionsspule (50) mittels wenigstens eines zugeordneten Antriebsmittels (20) verfahrbar sind.
Induktionsheizvorrichtung (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Induktionsspule (30) und/oder die zweite Induktionsspule (50) mittels des wenigstens einen zugeordneten Antriebsmittels (20) translatorisch entlang mindestens einer Achse (x, y, z) und/oder rotatorisch um die mindestens eine Achse (x, y, z) bewegbar sind.
Induktionsheizvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsheizvorrichtung (10) eine Steuereinrichtung (90) zur Steuerung und/oder Regelung einer jeweiligen Position und/oder Heizleistung der ersten Induktionsspule (30) und/oder der zweiten Induktionsspule (50) umfasst.
Vorrichtung (100) zur additiven Herstellung zumindest eines Bauteilbereichs (12) eines Bauteils (14), insbesondere eines Bauteils einer Strömungsmaschine, umfassend mindestens eine Induktionsheizvorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, zum Erwärmen eines Bauteilwerkstoffs und/oder des Bauteilbereichs (12) vor, während und/oder nach der Beaufschlagung mittels wenigstens eines Hochenergiestrahls (102) in einer Aufbau- und Fügezone (106) der Vorrichtung (100).
Vorrichtung (100) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (100) mindestens eine Temperaturmesseinrichtung (108) zur Temperaturmessung des Bauteilwerkstoffs und/oder des Bauteilbereichs (12) zumindest im Bereich der Aufbau-und Fügezone (106) der Vorrichtung (100) umfasst.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (100) eine Recheneinrichtung (110) aufweist, welche dazu ausgebildet ist, die mindestens eine Induktionsheizvorrichtung (10) in Abhängigkeit wenigstens eines Parameters aus der Gruppe Bauteilgeometrie, Art des Bauteilwerkstoffs, Temperatur des Bauteilwerkstoffs und Temperatur des Bauteilbereichs (12) anzusteuern, um die erste Induktionsspule (30) und/oder die zweite Induktionsspule (50) zu positionieren und/oder zu betreiben.
Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (100) eine Strahlenquelle (104), zum Erzeugen des wenigstens einen Hochenergiestrahls (102), umfasst.
Verfahren zum induktiven Erwärmen eines Bauteilbereichs (12) und/oder eines Bauteilwerkstoffs, insbesondere bei der Herstellung eines Bauteils (14) einer Strömungsmaschine, mittels einer Induktionsheizvorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend zumindest folgende Schritte: - Positionieren der mindestens zwei Induktionsspulen (30, 50) der Induktionsheizvorrichtung (10) im Bereich einer Aufbau- und Fügezone (106) einer Vorrichtung (100); und - Aktivieren wenigstens einer, der mindestens zwei Induktionsspulen (30, 50) zum induktiven Erwärmen des Bauteilwerkstoffs und/oder des Bauteilbereichs (12) vor, während und/oder nach der Beaufschlagung mittels wenigstens eines Hochenergiestrahls (102).
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Induktionsspulen (30, 50) jeweils derart bestromt werden, dass ein dadurch erzeugtes Magnetfeld in dem Innenraum (80) eine größere Feldstärke aufweist, als in an den Innenraum (80) angrenzenden Bereichen.
Bauteil (14) für eine Strömungsmaschine, insbesondere Verdichter- oder Turbinenbauteil, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (14) zumindest bereichsweise oder vollständig durch ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 13 bis 14 und/oder unter Verwendung einer Induktionsheizvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und/oder mittels einer Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 9 bis 12 erhalten ist.