DE102009034566A1 - Use of generative manufacturing method for layered structure of a component of a tank shell of a tank for liquids and/or gases, preferably fuel tank of e.g. satellite, where the component consists of titanium or an alloy of titanium - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Tanks für Treibstoff.The The invention relates to a method for producing a tank for Fuel.
Tanks für Treibstoffe, insbesondere Treibstofftanks für Satelliten und Flugzeuge, sollen aus einem Material bestehen, das leicht ist und gleichzeitig eine hohe mechanischen Festigkeit aufweist. Titan und Titanlegierungen sind im Prinzip geeignete Materialien für diese Treibstofftanks, da sie diese gewünschten Eigenschaften aufweisen.tanks for fuels, in particular fuel tanks for Satellites and aircraft are said to be made of a material that is light and at the same time has a high mechanical strength. Titanium and titanium alloys are in principle suitable materials for these fuel tanks as they want those Have properties.
Titan und Titanlegierungen haben jedoch den Nachteil, dass sie schwierig zu bearbeiten sind. Bei der Kaltverformung dünner Titanbleche ist der Grad der Rückfederung schwer im Voraus zu bestimmen, so dass die Kontur des verformten Blechs nicht reproduzierbar bestimmt werden kann.titanium and titanium alloys, however, have the disadvantage of being difficult to edit. When cold forming thin titanium sheets the degree of springback is difficult to determine in advance, so that the contour of the deformed sheet is not determined reproducibly can be.
Weitere Probleme bei der Verformung von Titan und Titanlegierungen sind die Gefahr der Rissbildung, der Werkzeugverschleiß und eine Versprödung des Werkstoffs, insbesondere beim Warmformgeben, sowie eine Tendenz zur Ungleichmäßigkeit auf Grund der Anisotropie dünner Bleche.Further Problems with the deformation of titanium and titanium alloys are the risk of cracking, tool wear and tear embrittlement of the material, in particular during thermoforming, as well as a tendency to unevenness due to the anisotropy of thin sheets.
Die
Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass die Arten von Konturen, die hergestellt werden können, begrenzt sind. Insbesondere sind tiefverformte Konturen mit diesem Verfahren nur schwierig herzustellen.This Process has the disadvantage that the types of contours that produced can be limited. In particular, deeply deformed Making contours difficult with this method.
Folglich ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Herstellungsverfahren anzugeben, mit dem eine breitere Auswahl an Formen aus Titan und Titanlegierungen hergestellt werden kann, die für das Herstellen eines Tanks, insbesondere eines Treibstofftanks geeignet sind.consequently It is an object of the present invention to provide a manufacturing method to provide a wider choice of shapes of titanium and titanium alloys can be produced, which is suitable for the production of a tank, in particular a fuel tank are suitable.
Gelöst wird diese Aufgabe durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche.Solved this task is accomplished by the subject matter of the independent Claims. Advantageous developments are the subject the respective dependent claims.
Erfindungsgemäß wird ein generatives Herstellungsverfahren zum schichtweisen Aufbau zumindest eines Bestandteils einer Tankschale eines Tanks für Flüssigkeiten und/oder Gase verwendet. Dieser Bestandteil besteht aus Titan oder aus einer Titanlegierung.According to the invention a generative manufacturing process for layered construction at least a component of a tank shell of a tank for liquids and / or gases used. This ingredient is made of titanium or from a titanium alloy.
Mit einem generativen Herstellungsverfahren wird ein Teil aus einem Ausgangswerkstoff schichtweise aufgebaut. Unter generativen Herstellungsverfahren sind Verfahren zu verstehen, bei denen Bauteile direkt und mit der gewünschten Endkontur hergestellt werden. Diese Teile sind derart belastbar, dass sie die mechanisch-technologischen Funktionen „normal” hergestellter Bauteile übernehmen können.With A generative manufacturing process is a part of a Base material built up in layers. Under generative manufacturing processes are to be understood as processes in which components directly and with the desired final contour can be produced. These parts are so strong that they the mechanical-technological functions "normal" produced Can take over components.
Generative Herstellungsverfahren werden auch Rapid-Prototyping genannt. Diese Herstellungsverfahren zur direkten Bauteilgenerierung sind in der Fachwelt unter einer Vielzahl von Namen oder Bezeichnungen bekannt wie „direct metal sintering” (DMS), „powder metal sintering”, „laser assisted metal sintering”, „fusing” oder „near net shaping”, „solid free form fabrication (SF3)”, „additive layer manufacturing” (ALM) usw. Bei der Herstellung höherer Stückzahlen wird in jüngster Zeit auch oft der Begriff „Rapid Manufacturing” verwendet. Im Folgenden soll jedoch lediglich der Begriff „generative Herstellungsverfahren” verwendet werden, was jedoch keinerlei einschränkend, beispielsweise nur auf eine geringe Stückzahl, zu verstehen ist.Generative manufacturing processes are also called rapid prototyping. These direct component production manufacturing methods are known in the art under a variety of names or designations such as "direct metal sintering"("DMS"),"powder metal sintering", "laser assisted metal sintering", "fusing" or "near net shaping". "Solid free form fabrication (SF 3 )", "additive layer manufacturing" (ALM), etc. The term "rapid manufacturing" is often used in the production of higher quantities recently. In the following, however, only the term "generative manufacturing process" is to be used, but this is not meant to be limiting, for example, only to a small number.
Den oben genannten generativen Herstellungsverfahren ist gemein, dass der Ausgangswerkstoff durch eine, in der Regel von einem CNC-Programm gesteuerte Wärmequelle (z. B. einem Laser oder einem Elektronenstrahl) lokal aufgeschmolzen wird und sofort danach wieder erstarrt. So wird inkrementell, dem CNC-Programm folgend, die 3-dimensionale Bauteilgeometrie mehr oder minder Punkt für Punkt bzw. Schritt für Schritt schichtweise bzw. lagenweise aufgebaut. Durch das Aufschmelzen und Erstarren besitzt das Bauteil eine Gussstruktur, welche jedoch durch die hohe örtlich wirkende Abkühlgeschwindigkeit viel feinkörniger ist als konventionelle Gussstrukturen.The The aforementioned generative manufacturing process is common to that the source material through one, usually from a CNC program controlled heat source (eg a laser or an electron beam) is melted locally and solidifies immediately afterwards. So is incrementally, following the CNC program, the 3-dimensional Component geometry more or less point by point or Layer by layer or layer by layer. Due to the melting and solidification, the component has a cast structure, which, however, by the high local cooling rate is much finer-grained than conventional cast structures.
Diese generativen Herstellungsverfahren ermöglichen das direkte Herstellen von Bestandteilen aus Titan und Titanlegierungen, die eine dünne Wandstruktur aufweisen. Die Probleme von Rückfederung und Rissbildung, die bei dem spanlosen Verformen von Blechen aus Titan und Titanlegierungen, auftreten können, können vermieden werden. Ferner können Bestandteile aus Titan oder einer Titanlegierung mit einer anisotropen Form mit einem generativen Herstellungsverfahren einfacher und zuverlässiger hergestellt werden, als mit einem spanlosen Verformen eines Blechs aus Titan oder einer Titanlegierung.These generative manufacturing processes allow the direct Manufacture of titanium and titanium alloy components have a thin wall structure. The problems of springback and cracking, which in the chipless deformation of sheets Titanium and titanium alloys, can occur be avoided. Furthermore, titanium components or a titanium alloy having an anisotropic shape with a generative one Manufacturing process made easier and more reliable than with a chipless deformation of a sheet of titanium or a titanium alloy.
Eine Treibstofftankschale weist eine dünne Wand auf, die einen Tank mit einer nahezu geschlossenen hohlen Gestalt formt. Die Vorteile der Verwendung eines generativen Verfahrens für das Herstellen dünnwandiger Teile aus Titan und Titanlegierungen werden erfindungsgemäß verwendet, um einen Treibstofftank herzustellen. Der Tank kann ein Treibstofftank eines Satellits, eines Flugzeugs oder eines Fahrzeugs oder einer Raumfähre sein, da die Materialeigenschaften von Titan und Titanlegierungen, insbesondere eines niedrigen Gewichts bei hoher Festigkeit, bei diesen Anwendungen besonders wünschenswert sind.A fuel tank shell has a thin wall that forms a tank with a nearly closed hollow shape. The advantages of using a generative process for making thin walled titanium and titanium alloy parts are used in the invention to produce a fuel tank. The tank may be a fuel tank of a satellite, aircraft, or vehicle or space shuttle, since the material properties of titanium and titanium alloys, particularly low weight, high strength, are particularly desirable in these applications.
Die Erfindung gibt auch ein Verfahren zum Herstellen eines Treibstofftanks, insbesondere eines Treibstofftanks für einen Satellit an. Mindestens ein Bestandteil einer Tankschale des Tanks wird mit einem generativen Herstellungsverfahren schichtweise aufgebaut. Dieser Bestandteil besteht aus Titan oder aus einer Titanlegierung und weist eine hohle Gestalt auf, die durch eine Wand mit einer Wandstärke definiert ist. Nach dem Aufbau des Bestandteils wird dieser Bestandteil weiterverarbeitet, um die Endmaße des Bestandteils zu erzeugen.The Invention also provides a method of manufacturing a fuel tank, in particular a fuel tank for a satellite. At least one component of a tank shell of the tank is provided with a generative manufacturing process built up in layers. This Part consists of titanium or a titanium alloy and has a hollow shape that passes through a wall with a wall thickness is defined. After building up the ingredient becomes this ingredient processed to produce the final dimensions of the component.
Die Vorteile eines generativen Herstellungsverfahrens werden somit für das Herstellen von Bestandteilen aus Titan und Titanlegierungen verwendet, um ein Zwischenprodukt herzustellen. Dieses Zwischenprodukt kann nach seinem Herstellen weiterverarbeitet werden, um die Materialeigenschaften sowie die Maße des Bestandteils weiter zu optimieren.The Advantages of a generative manufacturing process are thus for producing constituents of titanium and titanium alloys used to make an intermediate. This intermediate can be further processed after its manufacture, to the material properties as well to further optimize the dimensions of the component.
In einem Ausführungsbeispiel wird zum schichtweisen Aufbau des Bestandteils ein Energiestrahl auf eine aufzubauende Oberfläche gerichtet. Auf dieser Oberfläche wird ein Ausgangswerkstoff aus Titan oder einer Titanlegierung bereitgestellt. Aus dem Ausgangswerkstoff wird mit einem Energiestrahl auf der aufzubauenden Oberfläche ein geschmolzener Bereich erzeugt und der Energiestrahl wird über der aufzubauenden Oberfläche definiert geführt, um eine Schicht des Bestandteils herzustellen.In An embodiment is the layered structure of the component an energy beam onto a surface to be built up directed. On this surface, a starting material is made Titanium or a titanium alloy provided. From the starting material is with an energy beam on the surface to be built a molten area is generated and the energy beam is over the to be built up surface defined to be a Make layer of the ingredient.
Unter dem Begriff „definiert” ist zu verstehen, dass der Energiestrahl entsprechend eines vorbestimmten Kurses, der beispielsweise mit Hilfe eines CAD-Programms bestimmt wird, geführt wird. Das Führen des Energiestrahls wird typischerweise mit einem programmierten Computer gesteuert.Under The term "defined" is to be understood that the energy beam corresponding to a predetermined course, for example is determined with the help of a CAD program. The guiding of the energy beam is typically done with a controlled computer.
Die Wandstärke des schichtweise aufgebauten Bestandteils kann zwischen 2 mm und 10 mm, vorzugsweise zwischen 3 mm und 5 mm liegen. Nach dem Weiterverarbeiten des Bestandteils kann die Wandstärke auf 1 mm bis 3 mm reduziert werden, um das Gewicht des Bestandsteils zu reduzieren und die Kontur zu verfeinern.The Wall thickness of the layered constituent can between 2 mm and 10 mm, preferably between 3 mm and 5 mm. After further processing of the component, the wall thickness reduced to 1 mm to 3 mm to the weight of the component to reduce and refine the contour.
In weiteren Ausführungsbeispielen wird der Energiestrahl so definiert geführt, dass der Bestandteil in einer domartigen Gestalt oder einer zylindrischen Gestalt aufgebaut wird. Diese Bestandteile können anschließend zusammengefügt werden, um einen geschlossen Tank herzustellen.In Further embodiments, the energy beam is so defined that the component in a dome-like Shape or a cylindrical shape is built. These ingredients can then be joined together to make a closed To produce tank.
In einem Ausführungsbeispiel besteht der Ausgangswerkstoff und folglich der Bestandteil aus der Titanlegierung TiAl6V4. Die Zusammensetzung dieser Legierung ist 6 Gewichts Prozent Aluminium, 4 Gewichts Prozent Vanadium, Rest Titan.In In one embodiment, the starting material and hence the TiAl6V4 titanium alloy component. The Composition of this alloy is 6 weight percent aluminum, 4 Weight percent vanadium, balance titanium.
Als Energiestrahl können ein oder mehrere Laserstahlen oder Elektronenstrahlen oder ein Lichtbogen verwendet werden.When Energy beam can be one or more laser beams or Electron beams or an arc can be used.
Der Ausgangswerkstoff kann in Form eines Drahts oder eines Pulvers verwendet werden. Einige metallische Pulver haben jedoch den Nachteil, dass sie leicht brennbar und/oder giftig sind, so dass sie nur unter streng kontrollierten Bedingungen verwendet werden können. Durch die Verwendung eines Drahts als Ausgangswerkstoff können Schwierigkeiten, die bei der Verwendung metallischer Pulver auftreten, vermieden werden. Ein Metall in Drahtform ist nicht nur einfacher zu handhaben, sondern meistens auch kostengünstiger, da seine Herstellung ebenfalls einfacher ist.Of the Starting material can be used in the form of a wire or a powder become. However, some metallic powders have the disadvantage that they are flammable and / or toxic, so they only under strict controlled conditions can be used. By the use of a wire as a starting material can Difficulties encountered with the use of metallic powders be avoided. A metal in wire form is not only simpler to handle, but usually also cheaper, since its production is also easier.
In einem Ausführungsbeispiel wird ein metallisches Substrat bereitgestellt, auf dem der Bestandteil aufgebaut wird. Dieses metallische Substrat kann einen Teil der fertigen Treibstoffschale formen. in einem weiteren Ausführungsbeispiel wird der Bestandteil auf einem Hilfsträger aufgebaut, der später entfernt wird.In An exemplary embodiment is a metallic substrate provided on which the component is built. This metallic one Substrate can form part of the finished fuel cup. in In another embodiment, the component built on a subcarrier, which later removed becomes.
Zudem können dem Ausgangswerkstoff vor oder während des generativen Herstellungsprozesses weitere Beimischungen aus metallischen oder nicht metallischen, z. B. keramischen Materialien, z. B. als Pulver zugesetzt werden.moreover can the source material before or during of the generative manufacturing process further admixtures metallic or non-metallic, e.g. Ceramic materials, z. B. may be added as a powder.
Zum Aufschmelzen des Ausgangswerkstoffes ist eine Vielzahl von Möglichkeiten gegeben. Üblicherweise erfolgt dies durch einen oder mehrere Laserstrahlen, Elektronenstrahlen oder einen Lichtbogen. Es kann aber auch eine chemische, exotherme Reaktion verwendet werden, oder der Ausgangswerkstoff wird kapazitiv oder induktiv erwärmt. Auch eine beliebige Kombination dieser verschiedenen Wärmequellen ist möglich.To the Melting of the starting material is a variety of possibilities given. Usually, this is done by one or more Laser beams, electron beams or an arc. It can but also a chemical, exothermic reaction can be used, or the starting material is heated capacitively or inductively. Also any combination of these different heat sources is possible.
Bezüglich der erzielbaren Werkstoffeigenschaften erfolgt bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens die Abkühlung des aufgeschmolzenen Ausgangswerkstoffs mit einer Abkühlrate im Temperaturintervall Tliquidus – T450°C, die größer als 100 K/sec ist. Obwohl solche Abkühlraten im generativen Verfahren an sich inhärent sind, kann zur Erzielung höherer Abkühlraten eine zusätzliche Kühlung verwendet werden.In terms of The achievable material properties takes place in one embodiment the process of the invention, the cooling of the molten starting material at a cooling rate in the temperature interval Tliquidus - T450 ° C, the greater than 100 K / sec. Although such cooling rates are intrinsically inherent in the generative process, can for Achieving higher cooling rates an additional Cooling can be used.
Zudem ist es vorteilhaft, wenn die Erstarrung und Abkühlung des aufgeschmolzenen Ausgangswerkstoffes unter Schutzgas oder im Vakuum stattfindet. Das Schutzgas kann zum Beispiel Argon, Stickstoff oder ein Gemisch aus Argon und Helium sein.moreover it is advantageous if the solidification and cooling of the molten starting material under inert gas or in a vacuum takes place. The shielding gas may, for example, argon, nitrogen or be a mixture of argon and helium.
Obwohl im Regelfall nicht erforderlich, kann eine dem generativen Herstellungsverfahren nachgeschaltete Wärmebehandlung die Materialeigenschaften des hergestellten Strukturbauteils noch verbessern und insbesondere die Festigkeit und Zähigkeit erhöhen. Die nachträgliche Wärmebehandlung kann typischerweise bei Temperaturen zwischen 400°C und 1200°C für eine Dauer von 10 min bis 100 h erfolgen.Even though usually not required, can the generative manufacturing process Downstream heat treatment the material properties improve the manufactured structural component even more and in particular increase the strength and toughness. The subsequent Heat treatment can typically be done at temperatures between 400 ° C and 1200 ° C for a period of 10 minutes to 100 hours respectively.
Des Weiteren kann der Bestandteil nach der nachträglichen Wärmebehandlung einer Schnellabkühlung (z. B. Abschrecken in Wasser) auf Raumtemperatur mit einer anschließenden Wärmeauslagerung im Temperaturbereich 400°C–650°C für eine Dauer von 10 min bis 100 h unterzogen werden.Of Further, the component after the subsequent heat treatment rapid cooling (eg quenching in water) Room temperature with a subsequent heat aging in the temperature range 400 ° C-650 ° C for be subjected to a period of 10 minutes to 100 hours.
Die
Verwendung eines generativen Herstellungsverfahrens zum Herstellen
eines dünnwandigen Tanks, wie eines Treibstofftanks aus
Titan oder einer Titanlegierung hat die weiteren folgenden Vorteile:
Das
generative Verfahren ermöglicht das Herstellen von Bestandteilen
verschiedener Formen mit der gleichen Vorrichtung. Folglich können
alle oder viele der Bestandteile eines Treibstofftanks an einem
Ort hergestellt werden. Dies vermeidet die Probleme unregelmäßiger
Lieferung von mehreren unterschiedlichen Zulieferern sowie von nicht
maßgerechten Teilen, die von unterschiedlichen Zulieferern
stammen. Die Fertigungskette des Treibstofftanks kann somit verkleinert
werden.The use of a generative manufacturing method for producing a thin-walled tank, such as a titanium or titanium alloy fuel tank, has the further advantages of:
The generative process allows the production of components of different shapes with the same device. Consequently, all or many of the components of a fuel tank can be manufactured in one place. This avoids the problems of irregular delivery from multiple different suppliers as well as inappropriate parts sourced from different suppliers. The production chain of the fuel tank can thus be downsized.
Ferner können auf Grund des generativen Herstellungsverfahrens Änderungen an den Tankgeometrien einfach durchgeführt werden, da nur das Computerprogramm, das den Energiestrahl und das Ausgangswerkstoff steuert, geändert werden muss. Das generative Herstellungsverfahren ermöglicht somit eine Designflexibilität, die andere Herstellungsverfahren wie zum Beispiel das Gießen nicht anbieten.Further may change due to the generative manufacturing process to be performed on the tank geometries simply because only the computer program, the energy beam and the source material controls, needs to be changed. The generative manufacturing process thus allows a design flexibility that other manufacturing processes such as casting not to offer.
Ferner ist der Materialeinsatz geringer, da der schichtweise aufgebaute Bestandteil mit nahezu den gewünschten Maßen hergestellt ist, dem so genannten Nearnet shape.Further the material usage is lower because the layered built Component made with almost the desired dimensions is, the so-called nearnet shape.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand der Zeichnungen näher erläutert.embodiments The invention will now be explained in more detail with reference to the drawings.
Der
Bestandteil
Zum
Herstellen einer ersten Schicht
Bei
der ersten Ausführungsform der Erfindung wird ein Ausgangswerkstoff
Der
Laserstrahl
Das
geschmolzene Material erstarrt schnell wieder, wenn der Laserstrahl
Zum
Herstellen der nächsten Schicht des Bestandteils
In
der
Die
Der
Bestandteil
Eine
Ausgangspulverschicht
Eine
weitere Schicht
Generative Herstellungsverfahren können verwendet werden, um Bestandteile mit der gewünschten Endkontur herzustellen. In einem Ausführungsbeispiel werden jedoch die Bestandteile nach dem schichtweisen Aufbauverfahren weiterverarbeitet.generative Manufacturing processes can be used to ingredients produce with the desired final contour. In one embodiment However, the ingredients are after the layered construction process further processed.
In
diesem Ausführungsbeispiel werden die Bestandteile wärmebehandelt,
um die mechanische Festigkeit zu erhöhen. Insbesondere
werden die Bestandteile heißisostatisch gepresst. Danach
werden Form und Größe der Bestandteile durch Abdrehen und/oder
Schleifen verfeinert, um die Maßtoleranzen und/oder die
Oberflächengüte zu verbessern. Das Abdrehen der
Außenoberfläche
Zum
Herstellen des Treibstofftanks werden die einzelnen Bestandteile
zusammengefügt.
Durch die Verwendung eines generativen Herstellungsverfahrens zum Herstellen der Bestandteile des Treibstofftanks kann ein dünnwandiger Treibstofftank aus Titan oder einer Titanlegierung zuverlässig hergestellt werden. Ferner können Bestandteile verschiedener Formen mit dem gleichen Verfahren und folglich in der gleichen Fabrik hergestellt werden. Zusammen mit dem generativen Verfahren hat dies den Vorteil, dass die Konstruktion des Treibstofftanks kurzfristig geändert werden kann. Ferner können Sonderfertigungen von Tanks, d. h. Tanks besonderer Größe, die vom üblichen Standard abweichen, durch das Umprogrammieren des computergesteuerten Laserstrahls und des Ausgangswerkstoffs hergestellt werden.By the use of a generative manufacturing process for manufacturing The components of the fuel tank can be a thin-walled fuel tank made of titanium or a titanium alloy reliably become. Furthermore, components of various shapes produced by the same method and consequently in the same factory become. Together with the generative process this has the advantage that changed the design of the fuel tank in the short term can be. Furthermore, special production of tanks, d. H. Tanks of special size, the usual Standard deviate, by reprogramming the computer-controlled Laser beam and the starting material.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- domartiger Bestandteildome-shaped component
- 22
- Schichtgrenzelayer boundary
- 33
- Schichtlayer
- 44
- AusgangswerkstoffStarting material
- 55
- aufzubauende Oberflächebe established surface
- 66
- Laserstrahllaser beam
- 77
- geschmolzener Bereichmelted Area
- 88th
- fester Bereichsolid Area
- 99
- Drahtwire
- 1010
- fester Bereichsolid Area
- 1111
- aufzubauende Oberflächebe established surface
- 1212
- DombodenDomboden
- 1313
- zylindrischer Bestandteilcylindrical component
- 1414
- AusgangspulverschichtStarting powder layer
- 1515
- Pulverpowder
- 1616
- Abdrehenturn
- 1717
- Außenoberflächeouter surface
- 1818
- geschlossenes Rohrclosed pipe
- 1919
- SchweißnahtWeld
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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