[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils durch Metallpulverspritzgießen
von mit einem Binder vermischtem Metallpulver, bei dem einzelne Komponenten des Bauteils
als separat geformte Grünlings- und anschließend entbinderte Bräunlingsteilstücke
gefertigt werden, die zu einem zwei- oder mehrteiligen Bräunling zusammengesetzt und
in zusammengesetztem Zustand gesintert werden. Das Verfahren eignet sich beispielsweise
zur Herstellung von thermisch beanspruchten Triebwerksbauteilen mit geometrisch komplexer
Struktur.
[0002] Es ist bekannt, Bauteile mit hoher geometrischer Komplexität aus unterschiedlichen
Metallen wie beispielsweise Edelstählen, Einsatz- und Vergütungsstählen, intermetallischen
Phasen, Leichtmetallen auf Titanbasis und dgl. durch Metallpulverspritzgießen (Metal
Injection Moulding - MIM) herzustellen, und zwar bei vollständiger Materialausnutzung
und ohne oder nur mit geringer Nacharbeit. Beim Metallpulverspritzgießen wird zunächst
ein Metallpulver mit einem Binder aus thermoplastischen Kunststoffen und Wachsen zu
einem fließfähigen und in einem Spritzgießprozess verarbeitbaren Werkstoff (Feedstock)
vermischt. Aus dem beim Spritzgießen erzeugten Formteil, dem Grünling, wird anschließend
der Binder herausgelöst oder thermisch ausgetrieben, so dass ein poröses - als Bräunling
bezeichnetes - Formteil zur Verfügung steht, das die gleichen Abmessungen wie der
Grünling hat. In einem darauffolgenden Wärmeprozess wird der Bräunling geringfügig
unterhalb der Schmelztemperatur des jeweiligen Metalls in einem Sinterofen, und zwar
meist in einer Schutzgasatmosphäre oder manchmal auch im Vakuum, gesintert. Nach dem
Sintern, bei dem der Bräunling auf die gewünschten Fertigabmessungen schwindet, liegt
das endgültige Formteil vor. Eine Nacharbeit ist im allgemeinen nicht erforderlich.
[0003] Aus der
DE 103 31 397 A1 ist es bekannt, geometrisch kompliziert geformte Bauteile für eine Fluggasturbine,
hier einzelne, jeweils aus zwei oder mehreren Leitschaufeln sowie einem Innendeckbandabschnitt
und einem Außendeckbandabschnitt bestehende Segmente eines Leitschaufelkranzes, durch
Metallpulverspritzgießen herzustellen. Bei diesem Verfahren werden die Innen- und
Außendeckbandabschnitte jeweils separat als Bräunling vorgefertigt und anschließend
ohne Schrumpfung vorgesintert. Die vorgesinterten Schaufel- und Deckbandbräunlinge
werden dann zu einem Leitschaufelsegment zusammengesetzt und in der zusammengesetzten
Lage durch Klammern zueinander fixiert und dann gesintert. Ein zur Herstellung einer
festen Verbindung zwischen den einzelnen Bauteilen erforderlicher inniger Kontakt
an den Berührungsflächen ist durch die Anordnung von Klammern nicht gewährleistet.
Aufgrund der durch die Fixierung mittels Klammern eingeschränkten Bewegungsfreiheit
beim Sintern kann es zudem zu unerwünschten Deformationen und Rissen an dem zusammengesetzten
Leitschaufelsegment kommen.
[0004] Die
US 2007/0202000 A1 beschreibt ein Verfahren zur Verbindung zweier durch Metallpulverspritzgießen hergestellter
Komponenten, bei dem die beiden zu verbindenden Komponenten beim Sintern eine unterschiedliche
Schwindung aufweisen. Die beiden Komponenten weisen formschlüssig ineinandergreifende
Vorsprünge bzw. Ausnehmungen auf. Beim Sintern übt diejenige Komponente, die die Vorsprünge
der anderen Komponente umschließt, auf diese Vorsprünge einen Druck aus. Die anschließende
Verbindung der beiden Komponenten wird primär über die Vorsprünge gewährleistet.
[0005] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, weitere Verfahren zum Metallpulverspritzgießen
von geometrisch komplex geformten, aus separat vorgefertigten Bräunlingen zusammengesetzten
Bauteilen anzugeben, bei denen während des Sinterprozesses zwischen den aneinandergefügten
Bräunlingen eine innige, feste Verbindung erzielt wird.
[0006] Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 14 gelöst. Ausgestaltungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
[0007] Danach ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass mindestens eines der zu verbindenden
Bräunlingsteilstücke einen Vorsinterprozess durchläuft, in dem es eine erste Schwindung
erfährt. Diese erste Schwindung ist aber geringer als die maximale Schwindung, die
das Bräunlingsteilstück durch Sintern erfahren kann. Das mindestens eine vorgesinterte
und dadurch vorgeschrumpfte Bräunlingsteilstück und mindestens ein weiteres Bräunlingsteilstück
werden anschließend zu einem zwei- oder mehrteiligen Bräunling zusammengesetzt. Anschließend
durchläuft der zwei- oder mehrteilige Bräunling einen Hauptsinterprozess. Dabei erfährt
das mindestens eine vorgesinterte Bräunlingsteilstück eine geringere Schwindung als
das mindestens eine weitere Bräunlingsteilstück, wodurch das mindestens eine vorgesinterte
Bräunlingsteilstück und das mindestens eine weitere Bräunlingsteilstück fest miteinander
verbunden werden.
[0008] So schrumpft das nicht-vorgesinterte Bräunlingsteilstück stärker als das vorgesinterte
Bräunlingsteilstück, wodurch eine Pressung der zu fügenden Flächen bereitgestellt
wird. Das stärker schwindende Bräunlingsteilstück wird selbsttätig an das weniger
stark schrumpfende Bräunlingsteilstück gepresst, so dass stets eine Nullspaltmaß und
eine innige Verbindung zwischen den Bräunlingsteilstücken gewährleistet wird. Dabei
können im Metallspritzgießprozess auch komplex geformte Bauteile in hoher Qualität
bereitgestellt werden. Das Verfahren eignet sich beispielsweise zur Herstellung von
thermisch beanspruchten Triebwerksbauteilen mit geometrisch komplexer Struktur.
[0009] In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein vorgesintertes Bräunlingsteilstück
und ein weiteres Bräunlingsteilstück über an Fügeflächen der zu verbindenden Bräunlingsteilstücke
ausgebildete, formschlüssig ineinandergreifende Verbindungselemente vor dem Hauptsinterprozess
miteinander verbunden werden. Dabei kann vorgesehen sein, dass das vorzusinternde
Bräunlingsteilstück vor Durchlaufen des Vorsinterprozesses Abmessungen derart aufweist,
dass es nicht mit dem weiteren Bräunlingsteilstück verbindbar ist, und beim Vorsinterprozess
derart schrumpft, dass die beiden Bräunlingsteilstücke nun über die ineinander greifenden
Verbindungselemente verbunden werden können. Das vorzusinternde Bräunlingsteilstück
wird somit derart mit einem Verbindungselement versehen, dass eine Passung mit dem
weiteren Bräunlingsteilstück erst nach dem Vorsintern gewährleistet wird. Nach der
Montage werden die beiden Bauteile dann fertig gesintert, wobei das nicht-vorgesinterte
Bauteil stärker schrumpft als das vorgesinterte Bauteil.
[0010] Auf diese Weise können auch nicht rotationssymmetrisch geformte Bräunlingsteilstücke
ohne störende Hilfsmittel im Sinterprozess fest miteinander verbunden und kompliziert
geformte, nicht rotationssymmetrische Bauteile, wie beispielsweise mit Deckbändern
ausgebildete Turbinenschaufeln, durch Metallpulverspritzgießen gefertigt werden.
[0011] Bei den Verbindungselementen der Bräunlingsteilstücke handelt es sich gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung um formschlüssig ineinandergreifende Vorsprünge und Ausnehmungen.
Dabei ist vorgesehen, dass die Vorsprünge sich zum Hauptkörper des Bräunlingsteilstücks
hin verjüngen und hierzu beispielsweise schwalbenschwanzförmig oder keulenförmig ausgebildet
sind. Die Ausnehmungen des anderen Bräunlingsteilstücks weisen eine dazu passende
komplementäre Form auf.
[0012] Dabei sind zwei Ausführungsvarianten denkbar. Gemäß einer ersten Ausführungsvariante
sind die Vorsprünge an demjenigen Bräunlingsteilstück ausgebildet, das vorgesintert
ist, und sind die Ausnehmungen an dem weiteren Bräunlingsteilstück ausgebildet. Dies
bedeutet, dass beim Hauptsinterprozess das Bräunlingsteilstück, das die Ausnehmungen
aufweist und die Vorsprünge des anderen Bräunlingsteilstücks umschließt, auf diese
Vorsprünge einen Druck ausübt. Die dabei entstehende Verbindung der beiden Komponenten
wird primär über die Vorsprünge gewährleistet und ist im Wesentlichen auf den Bereich
der Vorsprünge und Aussparungen begrenzt.
[0013] Gemäß einer zweiten Ausführungsvariante sind die Ausnehmungen an demjenigen Bräunlingsteilstück
ausgebildet, das vorgesintert ist, und sind die Vorsprünge an dem weiteren Bräunlingsteilstück
ausgebildet. Diese Ausführungsvariante bewirkt, dass beim Sintern des zusammengesetzten
Bräunlings das Bräunlingsteilstück, das Ausnehmungen aufweist, zum Bräunlingsteilstück,
das Vorsprünge aufweist, durch dessen stärker schrumpfende Vorsprünge hingezogen wird,
wodurch die jeweiligen Kontaktflächen zwischen den Bräunlingsteilstücken aneinander
gepresst werden. Dabei können die Flächen, an denen die Bräunlingsteilstücke beim
Sintern des zusammengesetzten Bräunlings aneinandergezogen werden, im Wesentlichen
parallel zueinander angeordnet sein, was eine gemeinsame Krümmung einschließt.
[0014] Bei dieser Ausführungsvariante wird erreicht, dass ein hoher Druck und damit ein
intensiver Oberflächenkontakt der beiden Bräunlingsteilstücke nicht lediglich im Bereich
der Vorsprünge und Ausnehmungen erreicht wird, sondern vielmehr entlang der gesamten
Kontaktflächen, entlang derer die beiden Bräunlingsteilstücke aneinander anliegen.
Die Bräunlingsteilstücke werden bei dieser Erfindungsvariante beim Sintern des zusammengesetzten
Bräunlings mit anderen Worten großflächig an Kontaktflächen aneinander gepresst, die
benachbart der Vorsprünge und Ausnehmungen an den Bräunlingsteilstücken ausgebildet
sind.
[0015] Die Vorsprünge und Aussparungen der zu verbindenden Bräunlingsteilstücke werden vor
dem Sintern beispielsweise durch Längsverschiebung oder Drehung der zu verbindenden
Bräunlingsteilstücke in formschlüssigen Eingriff gebracht.
[0016] In weiteren Ausführungsvarianten sind die Vorsprünge konvex gewölbt und die Ausnehmungen
konkav gewölbt, beispielsweise in Form von kugelförmigen oder keulenförmigen Vorsprüngen
und Ausnehmungen.
[0017] Eine weitere Ausführungsvariante der Erfindung sieht vor, dass mindestens drei Bräunlingsteilstücke
zusammengesetzt und in dem Hauptsinterprozess gemeinsam gesintert werden. Dabei stellt
eines der Bräunlingsteilstücke ein Verbindungsteil dar, das vor dem Hauptsinterprozess
mit zwei weiteren der Bräunlingsteilstücke zusammensetzbar ist. Das Verbindungsteil
weist hierzu zwei Verbindungselemente, beispielsweise in Form von Vorsprüngen oder
Aussparungen auf. Es wird nun entweder das als Verbindungsteil ausgebildete Bräunlingsteilstück
vorgesintert oder es werden die zwei weiteren Bräunlingsteilstücke vorgesintert. Anschließend
werden die zwei weiteren Bräunlingsteilstücke mittels des als Verbindungsteil ausgebildeten
Bräunlingsteilstücks für den Hauptsinterprozess miteinander verbunden. Beim Hauptsinterprozess
werden beide Bräunlingsteilstücke innig mit dem als Verbindungsteil dienenden Bräunlingsteilstück
verbunden, so dass sie über das Verbindungsteil miteinander innig verbunden sind.
[0018] Das Verbindungsteil kann dabei beispielsweise als Einsetzteil (sogenanntes "Insert")
ausgebildet sein, das im Wesentlichen die Form zweier Aussparungen besitzt, die in
den zu verbindenden Bräunlingsteilstücken ausgebildet sind. Dabei kann vorgesehen
sein, dass das Verbindungsteil beim Hauptsinterprozess die beiden anderen Bräunlingsteilstücke
aneinander zieht und dabei großflächig ein Nullspaltmaß zwischen Kontaktflächen der
aneinandergrenzenden Bräunlingsteilstücke erzielt wird.
[0019] Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch bei rotationssymmetrisch ausgebildeten Bauteilen
einsetzbar. Hierbei ist in einer Ausführungsvariante vorgesehen, dass der zusammengesetzte
Bräunling ein inneres Bräunlingsteilstück und ein dieses umschließendes äußeres Bräunlingsteilstück
mit oder ohne Verbindungselemente umfasst. Dabei ist das äußere Bräunlingsteilstück
das nicht vorgesinterte Bräunlingsteilstück. Beim Hauptsinterprozess wird das äußere
Bräunlingsteilstück an das innere Bräunlingsteilstück gepresst.
[0020] Es ist in einer Ausführungsvariante vorgesehen, dass das mindestens eine vorgesinterte
Bräunlingsteilstück beim Vorsintern eine Volumenschrumpfung von mindestens 2% erfährt.
Hierdurch wird das Entstehen einer ausreichenden Pressung zwischen den zu fügenden
Flächen im Hauptsinterprozess sichergestellt.
[0021] Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass aufgrund des erfindungsgemäßen
Gedankens der Vorsinterung mindestens einer der Bräunlingsteilstücke eine unterschiedliche
Schwindung der Bräunlingsteilstücke während des Hauptsinterprozesses erreicht wird,
auch wenn die zu verbindenden Bräunlingsteilstücke aus dem gleichen Material bestehen
und im Wesentlichen identische Schwindungseigenschaften besitzen. Dementsprechend
wird die Erfindung gemäß einer Ausgestaltung mit Teilstücken realisiert, die aus dem
gleichen Material bestehen, gleiche Binderanteile besitzen und somit im Wesentlichen
identische Schwindungseigenschaften besitzen. Die Verwendung unterschiedlicher Materialien,
die mit einem Mehraufwand entlang der Prozesskette und dadurch erhöhten Bauteilkosten
verbunden ist, wird vermieden.
[0022] Gleichwohl kann die Erfindung grundsätzlich auch mit Bräunlingsteilstücken realisiert
werden, die auch ohne Vorsinterung eines der Bräunlingsteilstücke im Sinterprozess
unterschiedliche Schwindungseigenschaften besitzen. So kann alternativ vorgesehen
sein, dass ein oder mehrere der Bräunlingsteilstücke, einschließlich des vorzusinternden
Bräunlingsteilstücks, aus unterschiedlichen Metallpulvern in dem Sinne bestehen, dass
die eingesetzten Metallpulver sich von der Art und/oder Größe der Metallpulverpartikel,
im Metallpulverwerkstoff und/oder hinsichtlich des verwendeten Binders unterscheiden.
Unterschiedliche Metallpulver in diesem Sinne liegen insbesondere dann vor, wenn die
Metallpulverpartikel unterschiedlicher Art und/oder Größe sind, aber auch, wenn lediglich
der verwendete Binder unterschiedlich ist oder in unterschiedlichem Maße den verwendeten
Metallpulverpartikeln hinzugefügt ist.
[0023] Gemäß einem zweiten Erfindungsaspekt wird ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen
durch Metallpulverspritzgießen bereitgestellt, bei dem mindestens drei Bräunlingsteilstücke
zusammengesetzt und anschließend in einem Sinterprozess gemeinsam gesintert werden.
Eines dieser Bräunlingsteilstücke ist ein Verbindungsteil, das vor dem Sinterprozess
mit mindestens zwei weiteren Bräunlingsteilstücken zusammengesetzt wird. Dieses als
Verbindungsteil ausgebildete Bräunlingsteilstück erfährt während des Sinterprozesses
eine im Vergleich zu den weiteren Bräunlingsteilstücken höhere oder niedrigere Schrumpfung,
wodurch die mindestens zwei weiteren Bräunlingsteilstücke über das Verbindungsteil
fest miteinander verbunden werden.
[0024] Dabei kann vorgesehen werden, dass das Verbindungsteil und die weiteren Bräunlingsteilstücke
aus dem gleichen Material bestehen und im Wesentlichen identische Schwindungseigenschaften
besitzen. Für diesen Fall durchlaufen entweder das Verbindungsteil oder die weiteren
Bräunlingsteilstücke vor dem Sinterprozess einen Vorsinterprozess, indem eine Vorschwindung
erfolgt. Das Verfahren des zweiten Erfindungsaspektes ist jedoch ebenfalls einsetzbar
unter Verwendung eines Verbindungsteils, das aufgrund seiner materiellen Zusammensetzung
andere Schwindungseigenschaften aufweist als die miteinander zu verbindenden Bräunlingsteilstücke.
Beispielsweise unterscheidet es sich in Art und/oder Größe der Metallpulverpartikel
und/oder im Metallpulverwerkstoff und/oder im verwendeten Binder von den weiteren
Bräunlingsteilstücken.
[0025] Das Verbindungsteil ist beispielsweise als Einsatzteil ausgebildet, das zwei Vorsprünge
aufweist, die im wesentlichen vollständig in zwei entsprechenden Aussparungen der
miteinander zu verbindenden Bräunlingsteilstücke angeordnet sind. Sofern das Einsatzstück
eine größere Schwindung aufweist als die miteinander zu verbindenden Bräunlingsteilstücke,
zieht es während des Sinterns letztere aneinander, wobei diese großflächig eine Pressung
entlang ihrer aneinandergrenzenden Kontaktflächen erfahren. Sofern das Einsatzteil
eine geringere Schwindung aufweist als die miteinander zu verbindenden Bräunlingsteilstücke,
üben diese Bräunlingsteilstücke auf die Vorsprünge des Einsatzteils beim Sintern einen
Druck aus, wobei die anschließende Verbindung der beiden Komponenten primär über die
Vorsprünge gewährleistet ist.
[0026] Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung anhand
mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
- Fig. 1
- schematisch ein erstes Bräunlingsteilstück mit einem Vorsprung und ein zweites Bräunlingsteilstück
mit einer Ausnehmung, wobei das mit einem Vorsprung versehene Bräunlingsteilstück
in einem Vorsinterprozess eine erste Schwindung erfahren hat;
- Fig. 2
- schematisch ein erstes Bräunlingsteilstück mit einem Vorsprung und ein zweites Bräunlingsteilstück
mit einer Ausnehmung, wobei das mit einer Aussparung versehene Bräunlingsteilstück
bei einem Vorsinterprozess eine erste Schwindung erfahren hat;
- Fig. 3
- ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß hergestellten Bauteils in Form einer
mit einem Innen- und einem Außenband ausgebildeten Turbinenschaufel, die aus drei
separat gefertigten Bräunlingsteilstücken zusammengesetzt ist;
- Fig. 4
- eine schematische Darstellung des Fügebereichs eines aus zwei Bräunlingsteilstücken
zusammengesetzten Bräunlings, wobei der Zustand beim Hauptsinterprozess dargestellt
ist; und
- Fig. 5
- schematisch ein Ausführungsbeispiel, bei dem ein erstes und ein zweites Bräunlingsteilstück
durch ein drittes Bräunlingsteilstück, das als Einsatzteil ausgebildet ist und eine
unterschiedliche Schwindung besitzt, miteinander verbunden werden.
[0027] Die Figur 1 zeigt schematisch zwei Bräunlingsteilstücke 5, 6. Die beiden Bräunlingsteilstücke
bestehen aus identischen Materialien, weisen also die gleichen Schwindungseigenschaften
bei einem Sintervorgang auf. Zur Herstellung der Bräunlingsteilstücke 5, 6 werden
durch Metallpulverspritzgießen eines mit einem thermoplastischen Binder vermischten
Metallpulvers ("Feedstock") separate Grünlinge erzeugt. Durch Herausschmelzen des
Binders in einem Ofen werden die Grünlinge anschließend entbindert, so dass nunmehr
aus einem porösen Material bestehende Bräunlingsteilstücke 5, 6 zur Verfügung stehen.
[0028] Das eine Bräunlingsteilstück 6 weist an seiner Außenfläche einen Vorsprung 7 auf.
Der Vorsprung 7 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel, jedoch nicht notwendigerweise
schwalbenschwanzförmig ausgebildet. Seine Seitenflächen 75 verjüngen sich in Richtung
des Hauptkörpers des Bräunlingsteilstücks 6.
[0029] Das andere Bräunlingsteilstück 5 weist eine Aussparung 8 auf, deren Form mit der
Form des Vorsprungs 7 korrespondiert und dementsprechend ebenfalls schwalbenschwanzförmig
ausgebildet ist. Der Vorsprung 7 und die Aussparung 8 stellen formschlüssig ineinandergreifende
Verbindungselemente der beiden Bräunlingsteilstücke 5, 6 dar. In anderen Ausführungsbeispielen
können die formschlüssig ineinandergreifenden Verbindungselemente auch in anderer
Weise bereitgestellt werden, beispielsweise durch konkave und konvexe Formen.
[0030] Die über die ineinandergreifenden Verbindungselementen 7, 8 miteinander verbundenen
Bräunlingsteilstücke 5, 6 bilden einen zweiteiligen Bräunling 9.
[0031] Es ist nun vorgesehen, dass das eine Bräunlingsteilstück 6 vor einer formschlüssigen
Verbindung mit dem Bräunlingsteilstück 5 einen Vorsinterprozess durchläuft, in dem
sein Volumen von einem ersten, größeren Volumen 61 auf ein zweites, kleineres Volumen
62 schrumpft. Dementsprechend schrumpfen auch die Außenabmessungen des Vorsprungs
7 von einer größeren Außenabmessung 71 auf eine kleinere Außenabmessung 72. Der Schrumpfungsprozess
ist schematisch durch Pfeile dargestellt. Die Größe des Vorsprungs 7 und der Aussparung
8 sind dabei derart aneinander angepasst, dass erst nach Durchlaufen des Vorsinterprozesses
der Vorsprung 7 in die Aussparung 8 eingebracht werden kann, während dies vor Durchlaufen
des Vorsinterprozesses nicht möglich war. Zur formschlüssigen Verbindung werden die
Bräunlingsteilstücke 5, 6 zueinander längs verschoben, wobei der Vorsprung 7 in formschlüssigem
Eingriff mit der Aussparung 8 gerät.
[0032] Nach dem Vorsintern des Bräunlingsteilstücks 6 und dessen Verbindung mit dem nicht
vorgesinterten Bräunlingsteilstück 5 durchlaufen die beiden Bräunlingsteilstücke 5,
6 einen Hauptsinterprozess. Da das Bräunlingsteilstück 6 bereits in dem Vorsinterprozess
eine erste Schwindung erfahren hat, erfährt es während des Hauptsinterprozesses eine
geringere Schwindung als das andere Bräunlingsteilstück 5. Hierdurch werden das Bräunlingsteilstück
5 und das Bräunlingsteilstück 6 fest miteinander verbunden. Diese Verbindung erfolgt
derart, dass das Bräunlingsteilstück 5, das beim Hauptsinterprozess stärker schrumpft,
auf den Vorsprung 7 einen Druck ausübt. Die dabei entstehende Verbindung der beiden
Komponenten 5, 6 wird primär über die Vorsprünge 7 gewährleistet und ist durch die
Querschnittsfläche (d. h. die Basisfläche der Vorsprünge) begrenzt.
[0033] Die Figur 2 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel, das sich vom Ausführungsbeispiel
der Figur 1 dadurch unterscheidet, dass das Bräunlingsteilstück 5, das die Ausnehmung
8 aufweist, einen Vorsinterprozess durchläuft und dabei von einem größeren Volumen
51 auf ein kleineres Volumen 52 schrumpft. Dementsprechend ändert sich auch die Oberfläche
innerhalb der Aussparung von einer Oberfläche 81 zu einer Oberfläche 82. Nach Vorsintern
des Bräunlingsteilstücks 5 werden die beiden Bräunlingsteilstücke 5, 6 über ihre Verbindungselemente
7, 8 formschlüssig miteinander verbunden. Anschließend erfolgt ein Hauptsinterprozess,
in dem die beiden Bräunlingsteilstücke 5, 6 gleichzeitig gesintert werden.
[0034] Im Ausführungsbeispiel der Figur 2 erfährt dabei das Bräunlingsteilstück 6 eine größere
Schrumpfung, da es keine Vorsinterung erfahren hat. Dies führt dazu, dass die beiden
Bräunlingsteilstücke 5, 6 insgesamt aneinandergezogen und aneinandergepresst werden,
wobei eine innige Verbindung entlang der gesamten Kontaktflächen 10, 11 der beiden
Bräunlingsteilstücke 5, 6 bereitgestellt wird. Dementsprechend werden ein hoher Druck
und ein intensiver Oberflächenkontakt der beiden Bräunlingsteilstücke 5, 6 nicht lediglich
im Bereich der Vorsprünge 7 und Ausnehmungen 8 erreicht, sondern vielmehr entlang
der gesamten Kontaktflächen 10, 11, entlang derer die beiden Bräunlingsteilstücke
aneinander anliegen.
[0035] Die Figur 3 zeigt ein mögliches Ausführungsbeispiel der in den Figuren 1 und 2 dargestellten
technischen Lehre. Es ist ein nicht rotationssymmetrisch ausgebildetes Triebwerksbauteil
in Form einer Turbinenschaufel 1 dargestellt. Die Turbinenschaufel 1 ist aus drei
separat durch Metallpulverspritzgießen gefertigten und anschließend in einem Sinterprozess
gesinterten und miteinander verbundenen Bräunlingsteilstücken zusammengefügt. Die
drei gesinterten Bräunlingsteilstücke bilden ein Schaufelblatt 2, ein Außendeckband
3 und ein Innendeckband 4 der Turbinenschaufel 1.
[0036] Zur Herstellung des nicht rotationssymmetrischen Triebwerksbauteils 1 werden durch
Metallpulverspritzgießen eines mit einem thermoplastischen Binder vermischten Metallpulvers
(Feedstock) separate Grünlinge der Außen- und Innendeckbänder und der Schaufelblätter
erzeugt. Durch Herausschmelzen des Binders in einem Ofen werden die Grünlinge anschließend
entbindert, so dass nunmehr aus einem porösen Material bestehende Bräunlingsteilstücke
für das Schaufelblatt sowie die Innen- und Außendeckbänder zur Verfügung stehen.
[0037] Wie die in Fig. 4 dargestellte Fügestelle zwischen zwei separat gefertigten äußeren
und inneren Bräunlingsteilstücken 5 und 6 zeigt, befinden sich an der Kontaktfläche
10 des einen Bräunlingsteilstücks 5, die der Innenfläche des Außendeckbandes 3 der
Fig. 3 entspricht, sich zur Kontaktfläche 10 hin etwa schwalbenschwanzförmig verjüngende
Vorsprünge 7 und an der Kontaktfläche 11 des anderen Bräunlingsteilstücks 6, die der
Oberkante des Schaufelblattes 2 der Fig. 3 entspricht, etwa schwalbenschwanzförmig
verjüngende Ausnehmungen 8. In der gleichen Art ist auch ein weiteres - zur Ausbildung
des Innendeckbandes 4 des Fig. 3 vorgesehenes - äußeres Bräunlingsteilstück (nicht
dargestellt) mit derartigen Vorsprüngen versehen, die in an der Unterkante des inneren
Bräunlingsteilstücks 6 ausgebildete Ausnehmungen (nicht dargestellt) eingreifen. Statt
schwalbenschwanzförmig sich verjüngender Vorsprünge können alternativ auch in anderer
Weise sich zur Kontaktfläche 10 hin verjüngende Vorsprünge realisiert sein.
[0038] Die beim Metallpulverspritzgießprozess erzeugten Verbindungselemente in Form von
Vorsprüngen 7 und Ausnehmungen 8 greifen bei dem zusammengesetzten Bräunling 9 formschlüssig
ineinander. Die Figur 4 zeigt dabei den Zustand, nachdem eines der beiden Bräunlingsteilstücke
bereits vorgesintert und mit dem anderen Bräunlingsteilstück verbunden wurde. So wurde
im betrachteten Ausführungsbeispiel das Bräunlingsteilstück 6, das die Aussparungen
8 aufweist, vorgesintert. Das bedeutet, dass beim anschließenden gemeinsamen Sintern
der mittels der Ausnehmungen 8 und Vorsprünge 7 formschlüssig miteinander verbundenen
Bräunlingsteilstücke 5, 6 das Bräunlingsteilstück 5 stärker schrumpft. Dabei ziehen
aufgrund des Umstandes, dass das Bräunlingsteilstück 5 im Hauptsinterprozess stärker
schrumpft, und aufgrund der sich verjüngenden Form der Vorsprünge 7 die Vorsprünge
7 das Bräunlingsteilstück 6 an das Bräunlingsteilstück 5 heran, wobei die jeweiligen
Kontaktflächen 10, 11 aneinandergepresst werden. Dabei wird ein Nullspaltmaß zwischen
den Kontaktflächen 10, 11 erzielt. Die entsprechende Kraft, die auf das Bräunlingsteilstück
6 wirkt und zu einem Andrückdruck zwischen den beiden Bräunlingsteilstücken 5, 6 entlang
der Kontaktflächen 10, 11 führt, ist in der Fig. 4 durch Pfeile F angedeutet.
[0039] Im Ergebnis des Sinterprozesses wird ein durch Metallpulverspritzgießen gefertigtes
Triebwerkbauteil von geometrisch komplizierter Struktur bereitgestellt.
[0040] Die Kontaktflächen 10, 11, die benachbart der Vorsprünge bzw. Aussparungen 7, 8 ausgebildet
sind, sind dabei in einer Ausgestaltung im wesentlichen parallel ausgebildet, was
mit einschließt, dass sie in gleicher Weise gekrümmte Flächen ausbilden. Hierdurch
wird ein großflächiger intensiver Anpressvorgang beim Sintern sichergestellt.
[0041] Die Figur 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem drei Bräunlingsteilstücke 5a,
5b und 12 in einem Sinterprozess miteinander verbunden werden. Das eine Bräunlingsteilstück
12 ist dabei in Form eines Einsatzstückes ausgebildet, das zwei kreis- oder keulenförmige
Vorsprünge 12a, 12b aufweist, die in entsprechenden Aussparungen 8a, 8b der Bräunlingsteilstücke
5a, 5b angeordnet sind.
[0042] Das Einsatzteil 12 dient als Verbindungsteil zur Verbindung der beiden Bräunlingsteilstücke
5a, 5b in einem Sinterprozess. Dabei ist vorgesehen, dass das Einsatzteil 12 im Vergleich
zu den Bräunlingsteilstücken 5a, 5b im Sinterprozess eine höhere oder eine niedrigere
Schrumpfung erfährt. Dies kann zum einen dadurch erreicht werden, dass das Einsatzteil
12 aufgrund einer anderen Materialwahl unterschiedliche Schwindungseigenschaften befindet.
Beispielsweise sind Art und/oder Größe der Metallpulverpartikel unterschiedlich und/oder
es wird ein anderer Binder oder eine andere Menge von Binder verwendet. Aufgrund dieser
inhärenten unterschiedlichen Materialeigenschaften erfährt das als Einsatzteil dienende
Bräunlingsteilstück 12 im Sinterprozess eine unterschiedliche Schwindung.
[0043] Eine unterschiedliche Schrumpfung des Einsatzteils 12 kann entsprechend dem Ausführungsbeispiel
der Figuren 1 und 2 aber auch dadurch erreicht werden, dass entweder das Einsatzteil
12 oder die Bräunlingsteilstücke 5a, 5b eine Vorsinterung erfahren, was ebenfalls
dazu führt, dass das Einsatzteil 12 und die Bräunlingsteilstücke 5a, 5b im Hauptsinterprozess
in unterschiedlicher Weise eine Schwindung erfahren.
[0044] In einem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass das Einsatzteil 12 eine stärkere
Schwindung im Sinterprozess erfährt als die Bräunlingsteilstücke 5a, 5b. Dies führt
- entsprechend der Erläuterung der Figuren 2 und 4 - dazu, dass die beiden Bräunlingsteilstücke
5a, 5b nicht nur über das Einsatzteil 12 miteinander fest verbunden werden, sondern
dabei das Einsatzteil 12 die Bräunlingsteilstücke 5a, 5b aneinander zieht, so dass
sie entlang ihrer Kontaktflächen 10, 11 aneinandergepresst werden.
[0045] Es ist jedoch ebenfalls möglich, dass das Einsatzteil 12 eine Schwindung im Sinterprozess
erfährt, die geringer ist als die Schwindung, die die Bräunlingsteilstücke 5a, 5b
erfahren. In diesem Fall erfolgt eine Verbindung zwischen den jeweiligen Bräunlingsteilstücken
5a, 5b und dem Einsatzstück 12 im Wesentlichen im Bereich der Vorsprünge 12a, 12b.
[0046] Die zuvor geschilderten Ausführungsbeispiele waren auf die Herstellung von nicht
rotationssymmetrischen Bauteilen aus zwei oder mehreren mit Verbindungselementen ausgebildeten
Bräunlingen gerichtet. Die Erfindung ist jedoch nicht auf derartige Ausführungsbeispiele
beschränkt. Ausgehend von dem Gedanken, die aneinanderzufügenden Bräunlingsteilstücke
durch eine Vorschwindung eines Teilstücks in einem Vorsinterprozess und durch eine
unterschiedliche Schwindung in einem Hauptsinterprozess einer Pressung auszusetzen,
reicht es bei rotationssymmetrischen Bauteilen auch ohne die erwähnten Verbindungselemente
7, 8 aus, wenn ein das innere Bräunlingsteilstück umfassendes äußeres Bräunlingsteilstück
eine stärkere Schwindung bzw. Schrumpfung im Hauptsinterprozess aufweist, so dass
die separat gefertigten, rotationssymmetrischen Bräunlingsteilstücke beim Sintern
fest aneinander gepresst werden.
[0047] Schließlich ist es auch denkbar, einen zusätzlichen, stärker schrumpfenden Bräunling
als Werkzeug zu benutzen, der die zu verbindenden Bräunlingsteilstücke umfasst und
beim gemeinsamen Sintern fest aneinander drückt.
[0048] Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausgestaltung nicht auf die vorstehend erläuterten
Ausführungsbeispiele, die lediglich beispielhaft zu verstehen sind. Beispielsweise
sind die Formen und Abmessungen der Aussparungen und Ausnehmungen der einzelnen Bräunlingsteilstücke
lediglich beispielhaft zu verstehen. Auch kann vorgesehen sein, dass miteinander zu
verbindende Bräunlingsteilstücke eine Vielzahl entsprechender Vorsprünge und Ausnehmungen
aufweisen. Auch das in der Figur 3 beschriebene Ausführungsbeispiel eines Triebwerksbauteils
ist lediglich beispielhaft zu verstehen. Die Erfindung kann bei beliebigen Bauteilen,
insbesondere Triebwerksbauteilen realisiert werden, die aus unterschiedlichen, durch
Metallpulverspritzgießen entstandenen Komponenten bestehen, wobei Triebwerksbauteile
mit geometrisch komplexer Struktur hergestellt werden können.
1. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (1) durch Metallpulverspritzgießen von mit
einem Binder vermischtem Metallpulver, bei dem einzelne Komponenten des Bauteils als
separat geformte Grünlings- und anschließend entbinderte Bräunlingsteilstücke (5,
6) gefertigt werden, die zu einem zwei- oder mehrteiligen Bräunling (9) zusammengesetzt
und in zusammengesetztem Zustand gesintert werden, wobei die Bräunlingsteilstücke
(5, 6) im Sinterprozess eine Schwindung erfahren,
dadurch gekennzeichnet,
- dass mindestens eines der zu verbindenden Bräunlingsteilstücke (5, 6) einen Vorsinterprozess
durchläuft, bei dem es eine erste Schwindung erfährt,
- das mindestens eine vorgesinterte Bräunlingsteilstück (5, 6) und mindestens ein
weiteres Bräunlingsteilstück (6, 5) zu einem zwei- oder mehrteiligen Bräunling (9)
zusammengesetzt werden, und
- der zwei- oder mehrteilige Bräunling (9) anschließend einen Hauptsinterprozess durchläuft,
wobei während des Hauptsinterprozesses das mindestens eine vorgesinterte Bräunlingsteilstück
(5, 6) eine geringere Schwindung erfährt als das mindestens eine weitere Bräunlingsteilstück
(6, 5), wodurch das mindestens eine vorgesinterte Bräunlingsteilstück (5, 6) und das
mindestens eine weitere Bräunlingsteilstück (6, 5) fest miteinander verbunden werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein vorgesintertes Bräunlingsteilstück (5, 6) und ein weiteres Bräunlingsteilstück
(6, 5) über an Fügeflächen der zu verbindenden Bräunlingsteilstücke (5, 6) ausgebildete,
formschlüssig ineinandergreifende Verbindungselemente (7, 8) vor dem Hauptsinterprozess
miteinander verbunden werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das vorzusinternde Bräunlingsteilstück (5, 6) vor Durchlaufen des Vorsinterprozesses
Abmessungen derart aufweist, dass es nicht mit dem weiteren Bräunlingsteilstück (6,
5) verbindbar ist, und beim Vorsinterprozess derart schrumpft, dass die beiden Bräunlingsteilstücke
(5, 6) über die nun ineinandergreifenden Verbindungselemente (7, 8) verbunden werden
können.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente (7, 8) der Bräunlingsteilstücke (5, 6) in Form von formschlüssig
ineinandergreifenden Vorsprüngen (7) und Ausnehmungen (8) vorgesehen sind, wobei die
Vorsprünge (7) sich zur Kontaktfläche (10, 11) zwischen den Bräunlingsteilstücken
(5, 6) hin verjüngen, beispielsweise schwalbenschwanzförmig oder keulenförmig ausgebildet
sind, und die Ausnehmungen (8) eine dazu passende komplementäre Form aufweisen.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge (7) an dem Bräunlingsteilstück (6) ausgebildet sind, das vorgesintert
ist, und die Ausnehmungen (8) an dem weiteren Bräunlingsteilstück (5) oder dass die
Ausnehmungen (8) an dem Bräunlingsteilstück (5) ausgebildet sind, das vorgesintert
ist, und die Vorsprünge (7) an dem weiteren Bräunlingsteilstück (6).
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge (7) konvex gewölbt und die Ausnehmungen (8) konkav gewölbt sind.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei Bräunlingsteilstücke (5a, 5b, 12) zusammengesetzt und in dem Hauptsinterprozess
gemeinsam gesintert werden, wobei eines der Bräunlingsteilstücke ein Verbindungsteil
(12) mit zwei Verbindungselementen (12a, 12b) darstellt derart, dass es vor dem Hauptsinterprozess
mit zwei weiteren der Bräunlingsteilstücke (5a, 5b) zusammensetzbar ist, wobei
- entweder das als Verbindungsteil (12) ausgebildete Bräunlingsteilstück vorgesintert
wird, oder
- die zwei weiteren Bräunlingsteilstücke (5a, 5b) vorgesintert werden, und anschließend
die zwei weiteren Bräunlingsteilstücke (5a, 5b) mittels des als Verbindungsteil (12)
ausgebildeten Bräunlingsteilstücks für den Hauptsinterprozess miteinander verbunden
werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das als Verbindungsteil (12) ausgebildete Bräunlingsteilstück als Verbindungselemente
zwei Vorsprünge (12a, 12b) aufweist.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass beim Hauptsinterprozess das als Verbindungsteil (12) ausgebildete Bräunlingsteilstück
die beiden anderen Bräunlingsteilstücke (5a, 5b) aneinander zieht.
10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei rotationssymmetrisch ausgebildeten Bauteilen der zusammengesetzte Bräunling ein
inneres Bräunlingsteilstück und ein dieses umschließendes äußeres Bräunlingsteilstück
mit oder ohne Verbindungselemente umfasst, wobei das äußere Bräunlingsteilstück das
nicht vorgesinterte Bräunlingsteilstück ist und beim Hauptsinterprozess des zusammengesetzten
Bräunlings an das innere Bräunlingsteilstück gepresst wird.
11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine vorgesinterte Bräunlingsteilstück (5, 6) und die weiteren Bräunlingsteilstücke
(6, 5) aus dem gleichen Material bestehen und im Wesentlichen identische Schwindungseigenschaften
besitzen.
12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine vorgesinterte Bräunlingsteilstück (5, 6) beim Vorsintern eine
Volumenschrumpfung von mindestens 2% erfährt.
13. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (1) durch Metallpulverspritzgießen von mit
einem Binder vermischtem Metallpulver, bei dem einzelne Komponenten des Bauteils als
separat geformte Grünlings- und anschließend entbinderte Bräunlingsteilstücke (5a,
5b, 12) gefertigt werden, die zu einem mehrteiligen Bräunling zusammengesetzt und
in zusammengesetztem Zustand gesintert werden, wobei die Bräunlingsteilstücke (5a,
5b, 12) im Sinterprozess eine Schwindung erfahren,
dadurch gekennzeichet,
dass mindestens drei Bräunlingsteilstücke (5a, 5b, 12) zusammengesetzt und anschließend
in einem Sinterprozess gemeinsam gesintert werden, wobei eines der Bräunlingsteilstücke
ein Verbindungsteil (12) ist, das vor dem Sinterprozess mit mindestens zwei weiteren
Bräunlingsteilstücken (5a, 5b) zusammengesetzt wird, und das im Vergleich zu den mindestens
zwei weiteren Bräunlingsteilstücken (5a, 5b) während des Sinterprozesses eine höhere
oder niedrigere Schrumpfung erfährt, wodurch die mindestens zwei weiteren Bräunlingsteilstücke
(5a, 5b) über das Verbindungsteil (12) fest miteinander verbunden werden.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass Verbindungsteil (12) und die weiteren Bräunlingsteilstücke (5a, 5b) aus dem gleichen
Material bestehen und im Wesentlichen identische Schwindungseigenschaften besitzen,
wobei das Verbindungsteil (12) oder die weiteren Bräunlingsteilstücke (5a, 5b) vor
dem Sinterprozess einen Vorsinterprozess durchlaufen haben, in dem es/sie eine Vorschwindung
erfahren hat/haben.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsteil (12) durch Unterschiede in der Art und/oder Größe der Metallpulverpartikel
und/oder im Metallpulverwerkstoff und/oder des verwendeten Binders eine im Vergleich
zu den weiteren Bräunlingsteilstücken (5a, 5b) unterschiedliche Schwindung aufweist.