DE102012200768A1

DE102012200768A1 - Verschlusselement einer Inspektionsöffnung einer Turbomaschine und Kugelgelenk, insbesondere hierfür

Info

Publication number: DE102012200768A1
Application number: DE201210200768
Authority: DE
Inventors: Thomas Hess; Steffen Schlothauer; Hans Stricker; Stefan Rauscher
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2012-01-19
Filing date: 2012-01-19
Publication date: 2013-07-25
Anticipated expiration: 2032-01-20
Also published as: DE102012200768B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verschlusselement zum Verschließen einer Inspektionsöffnung einer Turbomaschine, insbesondere einer Gasturbine, mit einem Stößel (10) mit einem Dichtabschnitt (11) zum Verschließen der Inspektionsöffnung, und einem Stopfen (20) zum lösbaren Befestigen an der Turbomaschine, der durch ein Kugelgelenk (12, 21; 120, 210; 120’, 210’) mit dem Stößel verbunden ist, welches einen Innenkörper (21) mit einer Außenkontur aufweist, der in einer Lagerschale (12) mit einer, insbesondere hierzu komplementären, Innenkontur drehbar aufgenommen ist, wobei Innenkörper (12’) und/oder Lagerschale (21’), insbesondere zusammen, schichtweise durch ein generatives Verfahren hergestellt werden, sowie ein Kugelgelenk, insbesondere für ein solches Verschlusselement.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Verschlusselements mit Kugelgelenk zum Verschließen einer Inspektionsöffnung einer Turbomaschine, insbesondere einer Gasturbine, eines Kugelgelenks, ein nach einem solchen Verfahren hergestelltes Verschlusselement bzw. Kugelgelenk, sowie die Verwendung eines solchen Verschlusselements zum Verschließen einer Inspektionsöffnung.
Insbesondere zur Inspektion von Gasturbinen ist es bekannt, eine oder mehrere Inspektionsöffnungen vorzusehen, durch die eine Sichtkontrolle erfolgen oder ein Inspektionsinstrument, insbesondere ein Boroskop, Flexoskop oder dergleichen eingeführt werden kann. Im Sinne der vorliegenden Erfindung wird auch ein Instrument, mit dem zusätzlich oder alternativ zu einer optischen Prüfung eine mechanische Bearbeitung durchgeführt werden kann, als Inspektionsinstrument, eine hierfür vorgesehene Öffnung entsprechend als Inspektionsöffnung bezeichnet.
Bei Nichtgebrauch müssen die Inspektionsöffnungen verschlossen werden. Hierzu sind aus betriebsinterner Praxis sogenannte Boroskopstopfen bekannt. Auch die US 6,468,033 B1 offenbart einen solchen Boroskopstopfen. Dieser weist einen Stopfen, der an einer Einführöffnung eines Außengehäuses einer Gasturbine lösbar befestigt wird, und einen Stößel mit einem konischen Dichtabschnitt auf, der eine Inspektionsöffnung zum Strömungskanal der Gasturbine verschließt. Um, insbesondere thermisch bedingte, Fluchtungsfehler zwischen der Einführ- und der Inspektionsöffnung auszugleichen, ist der Stößel durch ein Kugelgelenk an dem Stopfen drehbar und axial federnd gelagert. Die Herstellung des Boroskopstopfens ist aufwändig und schwer, zudem besteht die Gefahr, dass bei Versagen eines Sicherungsringes des Stößels dieser ins Innere der Gasturbine verloren wird. Auch allgemein ist die Herstellung eines Kugelgelenks, auch für andere Verwendungen beispielsweise in einem Stativ, Getriebe oder dergleichen, aufwändig und schwer.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Inspektionsöffnung einer Turbomaschine, insbesondere einer Gasturbine, besser zu verschließen und/oder ein Kugelgelenk zur Verfügung zu stellen.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. 4 zum Herstellen eines Verschlusselements bzw. Kugelgelenks mit den Merkmalen des Anspruchs 5 bzw. 8, ein solches Verschlusselement bzw. Kugelgelenk sowie mit Anspruch 16 die Verwendung eines solchen Verschlusselements zum Verschließen einer Inspektionsöffnung einer Turbomaschine, insbesondere einer Gasturbine, vorgeschlagen. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen.
Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verschlusselement, das ein Kugelgelenk aufweist und zum Verschließen einer Inspektionsöffnung einer Turbomaschine, insbesondere einer Gasturbine und vorzugsweise eines Flugtriebwerks vorgesehen ist. Dabei wird unter einer Inspektionsöffnung, wie vorstehend erwähnt, insbesondere eine wiederverschließbare Öffnung zur Sichtkontrolle und/oder zum Einführen eines Inspektionsinstruments zur optischen Prüfung und/oder zur, insbesondere mechanischen, Bearbeitung im Inneren der Turbomaschine verstanden. Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Kugelgelenk als solches, beispielsweise für ein Stativ, Getriebe oder dergleichen. Beide Aspekte können vorteilhafterweise kombiniert sein, indem das Kugelgelenk des Verschlusselements gemäß dem weiterer Aspekt ausgebildet ist bzw. hergestellt wird, und werden daher nachfolgend gemeinsam beschrieben.
Gemäß dem erster Aspekt weist das Verschlusselement einen Stößel mit einem Dichtabschnitt zum Verschließen der Inspektionsöffnung auf. Der Dichtabschnitt kann in einer bevorzugten Weiterbildung eine wenigstens teilweise sphärische oder konische Außenkontur aufweisen. Unter einem Verschließen im Sinne der vorliegenden Erfindung wird insbesondere eine Reduzierung eines Austrittsquerschnitts der Inspektionsöffnung, vorzugsweise auf Null, und bevorzugt ein arbeitsfluiddichtes Verschließen in Hinblick auf ein Arbeitsfluid der Turbomaschine verstanden.
Das Verschlusselement weist weiter einen Stopfen zum lösbaren Befestigen an der Turbomaschine auf. Der Stopfen ist vorzugsweise zum Befestigen an, bevorzugt in einer Einführöffnung der Turbomaschine ausgebildet. Weist die Turbomaschine ein Außengehäuse und ein Innengehäuse, insbesondere einen Fluidkanal, auf, ist in einer bevorzugten Ausführung die Inspektionsöffnung im Innengehäuse, die Einführöffnung im Außengehäuse vorgesehen. Der Stopfen kann zum, insbesondere arbeitsfluiddichten, Verschließen der Einführöffnung ausgebildet sein und weist hierzu in einer bevorzugten Weiterbildung ein oder mehrere, insbesondere elastische und/oder ringförmige, Dichtelemente auf.
Zum lösbaren Befestigen weist der Stopfen in einer bevorzugten Ausführung ein Form- und/oder Reibschlussmittel, insbesondere ein Rastelement, ein Gewinde, einen Sicherungsring, eine Presspassung oder dergleichen auf. Zusätzlich oder alternativ kann der Stopfen auch stoffschlüssig an der Turbomaschine befestigt werden, insbesondere durch Kleben, Löten oder dergleichen, wobei zum Lösen der Befestigung diese stoffschlüssig Verbindung getrennt bzw. zerstört und zum Wiederbefestigen erneut hergestellt wird.
Der Stopfen ist durch ein Kugelgelenk mit dem Stößel verbunden. Unter einem Kugelgelenk wird vorliegend insbesondere ein Gelenk mit wenigstens einem, vorzugsweise zwei und bevorzugt drei Drehfreiheitsgraden verstanden. Es weist einen Innenkörper mit einer vorzugsweise ganz oder wenigstens teilweise sphärischen Außenkontur auf. Unter einer teilweise sphärischen Außenkontur wird insbesondere eine Kontur einer Kugel mit einem oder mehreren fehlenden Kugelsegmenten und/oder einer nicht sphärischen Fortsetzung verstanden, wie sie beispielsweise eine Kugel aufweist, deren Spitze abgeschnitten und die auf einen Kegel oder Zylinder gesteckt ist.
In einer bevorzugten Ausführung ist die Außenkontur teilweise sphärisch und teilweise eben. Hierunter wird insbesondere eine Kontur verstanden, die gegenüber einer Kugelform ein, zwei oder mehr fehlende, insbesondere einander gegenüberliegende Kugelsegmente aufweist, so dass die Grundflächen der fehlende Kugelsegmente ebene Flächen der Außenkontur bilden. Gleichermaßen kann die Außenkontur teilweise sphärisch und teilweise kegelförmig sein. Hierunter wird insbesondere eine Kontur mit einem rotationssymmetrischen Querschnitt verstanden, der sich in der Form einer Eistüte aus einem im Wesentlichen V-förmigen Abschnitt und einem hierzu gespiegelten im Wesentlichen U-förmigen Abschnitt zusammensetzt.
Der Innenkörper ist in einer Lagerschale mit einer Innenkontur drehbar aufgenommen, die vorzugsweise wenigstens teilweise zur Außenkontur des Innenkörper komplementär ist. Hierunter wird vorliegend insbesondere verstanden, dass die Innenkontur so ausgebildet ist, dass sie, wenigstens bereichsweise, formschlüssig mit der Außenkontur den bzw. die Drehfreiheitsgrade des Kugelgelenks definiert. Insbesondere kann auch die Innenkontur ganz oder wenigstens teilweise sphärisch sein und dabei einen Innendurchmesser aufweisen, der dem Außendurchmesser eines sphärischen Teils der Außenkontur entspricht oder mit diesem eine Spielpassung bildet. In einer bevorzugten Weiterbildung weisen die Innen- und Außenkontur jeweils eine sphärische Umhüllende auf, die einander entsprechen oder eine Spielpassung bilden und so die Kinematik des Kugelgelenks definieren. Unter einer sphärischen Umhüllenden wird vorliegend insbesondere eine virtuelle Kugel minimalen Durchmessers verstanden, die die Kontur gerade vollständig umhüllt.
Erfindungsgemäß werden der Innenkörper und/oder die Lagerschale schichtweise durch ein generatives Verfahren hergestellt. Unter einem generativen Verfahren bzw. einem generativen Herstellen im Sinne der vorliegenden Erfindung wird insbesondere in fachüblicher Weise ein Herstellen verstanden, bei dem schichtweise verfestigbares, vorzugsweise pulverförmiges oder flüssiges, Material lokal dort verfestigt wird, wo die Querschnittsschicht des herzustellenden Bauteils Material aufweisen soll. Die lokale Verfestigung kann insbesondere optisch, vorzugsweise durch einen oder mehrere Laser, chemisch, insbesondere durch eine oder mehrere Düsen, und/oder thermisch erfolgen, vorzugsweise jeweils unter Maskieren nicht zu verfestigender Bereiche und/oder eine gerichtete Beaufschlagung, etwa durch Laser, Düsen oder dergleichen. Durch generative Verfahren können vorteilhafterweise komplexere Geometrien und insbesondere Hinterschneidungen hergestellt werden.
Dabei kann der Innenkörper schichtweise generativ in einer Lagerschale hergestellt werden, die vorab, ebenfalls generativ oder auf andere Weise, insbesondere durch Ur- oder Umformen und/oder, insbesondere spanendes, Bearbeiten, hergestellt worden ist. Gleichermaßen kann die Lagerschale schichtweise generativ um einen Innenkörper herum hergestellt werden, der vorab, ebenfalls generativ oder auf andere Weise, insbesondere durch Ur- oder Umformen und/oder, insbesondere spanendes, Bearbeiten, hergestellt worden ist. In einer bevorzugten Ausführung werden Innenkörper und Lagerschale zusammen generativ hergestellt, insbesondere, indem in jeweils einer Schicht verfestigbaren Materials sowohl des Querschnitts des Innenkörpers als auch der Lagerschale lokal verfestigt werden. Dabei kann in einer bevorzugten Weiterbildung zur generativen Herstellung der Lagerschale dasselbe Material verwendet werden wie zur Herstellung des Innenkörpers. Gleichermaßen können Innenkörper und Lagerschale auch aus unterschiedlichen verfestigbaren Materialien zusammen generativ hergestellt werden, insbesondere, indem in einem Bereich, in dem die Lagerschalenschicht hergestellt werden soll, ein anderes verfestigbares Material bereitgestellt wird als in dem Bereich, in dem der Innenkörper hergestellt werden soll. In einer bevorzugten Weiterbildung weist verfestigbares Material, aus dem der Innenkörper und/oder die Lagerschale generativ hergestellt werden, Metall auf.
Durch das generative Herstellen von Lagerschale und/oder Innenkörper kann vorteilhaft das Verschlusselement schnell, günstig, leicht und/oder kompakt hergestellt werden.
Die Lagerschale kann mit dem Stopfen oder mit dem Stößel, insbesondere stoffschlüssig oder integral, verbunden sein. Entsprechend kann zusätzlich oder alternativ der Innenkörper mit dem Stößel oder mit dem Stopfen, insbesondere stoffschlüssig oder integral, verbunden sein.
Zur integralen bzw. einstückigen Verbindung kann der Stopfen integral mit der Lagerschale oder dem Innenkörper hergestellt werden, insbesondere durch ein generatives Verfahren. In einer anderen Ausführung wird nur die Lagerschale bzw. der Innenkörper, insbesondere durch ein generatives Verfahren, hergestellt und anschließend mit dem Stopfen, insbesondere stoffschlüssig, verbunden, beispielsweise durch Kleben, Löten oder dergleichen. Entsprechend kann der Stößel zur integralen bzw. einstückigen Verbindung integral mit dem Innenkörper oder der Lagerschale hergestellt werden, insbesondere durch ein generatives Verfahren. In einer anderen Ausführung wird nur die Lagerschale bzw. der Innenkörper, insbesondere durch ein generatives Verfahren, hergestellt und anschließend mit dem Stößel, insbesondere stoffschlüssig, verbunden, beispielsweise durch Kleben, Löten oder dergleichen.
In einer bevorzugten Ausführung sind der Stößel, der Innenkörper und/oder der Stopfen, wenigstens teilweise, als Hohlkörper ausgebildet. Hierzu ist die generative Herstellung besonders geeignet.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist das Verschlusselement in Stößellängsrichtung elastisch. Hierzu können der Stößel, das Kugelgelenk und/oder der Stopfen elastisch ausgebildet sein. Hierunter wird insbesondere eine Bewegungsmöglichkeit zwischen dem Dichtabschnitt und einer Befestigung des Stopfens gegen eine elastische Rückstellkraft verstanden. Die Bewegungsmöglichkeit kann formschlüssig, insbesondere durch eine Linearführung, und/oder verformend, insbesondere unter Kompression des Verschlusselements, vorzugsweise eines Halsabschnitts des Stößels mit geringerem Durchmesser, vorgesehen sein.
In einer bevorzugten Ausführung weist der Stößel eine Einfallsicherung auf, die ein Einfallen des Dichtabschnitts in die Inspektionsöffnung bei einem Bruch des Stößels oder Kugelgelenks, vorzugsweise form- und/oder reibschlüssig, be-, vorzugsweise verhindert. Hierzu kann die Einfallsicherung eine größere maximale Querschnittsabmessung, insbesondere einen größeren Außendurchmesser, aufweisen als der Dichtabschnitt. Die Einfallsicherung kann eine umlaufende, insbesondere zylindrische, Mantelfläche und/oder wenigstens eine Lasche aufweisen. Die Einfallsicherung kann zusätzlich oder alternativ zu einer größeren maximale Querschnittsabmessung auch dadurch ein Einfallen des Dichtabschnitts in die Inspektionsöffnung be- bzw. verhindern, dass sich der Dichtabschnitt mit der Einfallsicherung verkeilt. In einer bevorzugten Weiterbildung führt die Einfallsicherung den Stößel beim Einführen durch die Einführöffnung, insbesondere ein Gewinde der Einführöffnung.
Werden Lagerschale und Innenkörper eines Kugelgelenks gemeinsam bzw. zusammen generativ hergestellt, kann dies in einer bevorzugten Ausführung in Richtung von einer Öffnung der Lagerschale her geschehen, durch die ein Fortsatz des Innenkörpers nach außen hervorsteht. Gleichermaßen können Lagerschale und Innenkörper gemeinsam generativ auch in einer anderen Richtung, insbesondere zu einer solchen Öffnung der Lagerschale hin hergestellt werden.
Gemäß dem zweiten Aspekt wird vorgeschlagen, dass die Lagerschale und der Innenkörper beim gemeinsamen generativen Herstellen zunächst durch eine Stützstruktur miteinander verbunden sind. Dies kann insbesondere den gemeinsamen generativen Aufbau vereinfachen, indem der Innenkörper beginnend mit einer Stützstruktur schichtweise hergestellt wird. Diese Stützstruktur wird anschließend zerstört, insbesondere gebrochen, so dass Innenkörper und Lagerschale, die beim Herstellen durch die Stützstruktur aneinander fixiert waren, gegeneinander beweglich werden und so den bzw. die Drehfreiheitsgrade des Kugelgelenks darstellen.
Die Stützstruktur kann insbesondere durch eine anfängliche gewaltsame Bewegung von Innenkörper und Lagerschale gegeneinander in dem bzw. den gewünschten Drehfreiheitsgrad(en) zerstört werden. Insbesondere hierzu kann die Stützstruktur, wenigstens im Wesentlichen, stab- oder rippenförmig ausgebildet sein. Hierunter wird insbesondere eine Stützstruktur mit einem kleinen kreis- oder rechteckförmigen Querschnitt in Verbindungsrichtung zwischen Innenkörper und Lagerschale verstanden, der idealisiert punkt- bzw. linienförmig ist. Insbesondere, um die Prozesssicherheit des Herstellvorgangs zu erhöhen, kann die Stützstruktur zwei oder mehr Elemente aufweisen.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Ansprüchen und den Ausführungsbeispielen. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert:
1: einen Teilquerschnitt eines Verschlusselements nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung;
2: das Verschlusselement der 1 während seiner Herstellung;
3: ein Kugelgelenk nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung in 1 entsprechender Darstellung bzw. einem Schnitt längs der Linie IIII-III in 4;
4: das Kugelgelenk der 3 in einem Schnitt längs der dortigen Linie IV-IV; und
5: ein Kugelgelenk nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung in 3, 4 entsprechender Darstellung.
1 zeigt in einer teilweise geschnittenen Seitansicht ein Verschlusselements nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung. Es weist einen Stopfen 20 auf, an dem durch ein Kugelgelenk 12, 21 ein Stößel 10 drehbar in drei Freiheitsgraden gelagert ist.
Der Stopfen 20 ist, wie in dem Teilschnitt erkennbar, als Hohlkörper ausgebildet und weist einen Befestigungsabschnitt 22 auf, der mehrere Absätze zur Fixierung von Dichtringen (nicht dargestellt) und ein Gewinde oder eine Presspassung (ebenfalls nicht dargestellt) zur lösbaren Befestigung in einer Einführöffnung in einem Außengehäuse einer Gasturbine (nicht dargestellt) aufweist. An seinem in Einführrichtung (von rechts nach links in 1) vorderen Ende weist der Stopfen 20 einen Innenkörer 21 auf, die eine teilweise sphärische Außenkontur aufweist, wie sie sich ergibt, wenn von einer Kugel ein Segment geradlinig abgetrennt wird und die Kugel sich auf einer gegenüberliegenden Seite in einem gerundeten Halsabschnitt in den Befestigungsabschnitt 22 fortsetzt.
Der Stößel 10 ist, wie in dem Teilschnitt erkennbar, ebenfalls als Hohlkörper ausgebildet und weist einen im Wesentlichen sphärischen Dichtabschnitt 11 auf, der dazu vorgesehen ist, eine Inspektionsöffnung in einem Strömungskanal der Gasturbine (nicht dargestellt) zu verschließen. Hierzu wird das Verschlusselement durch die Einführöffnung im Außengehäuse der Gasturbine eingeführt und sein Befestigungsabschnitt 22 daran befestigt. Der Dichtabschnitt 22 verschließt dann die Inspektionsöffnung im Strömungskanal der Gasturbine fluiddicht. Um Radialtoleranzen zwischen Außengehäuse bzw. Einführöffnung einerseits und Strömungskanal bzw. Inspektionsöffnung andererseits auszugleichen, kann der Stößel in seiner Längsrichtung elastisch nachgeben. Zusätzlich oder alternativ kann der Stopfen 20 entsprechend radial tiefer oder weniger tief in der Einführöffnung befestigt werden, beispielsweise durch eine größere oder geringere Einschraubtiefe (nicht dargestellt).
Um eine Fluchtungstoleranz bzw. einen Versatz in Umfangs- und/oder Radialrichtung der Gasturbine auszugleichen, ist der Stößel 10 in dem Kugelgelenk 12, 21 drehbar an dem Stopfen gelagert. Hierzu weist der Stößel, anschließend an den Dichtungsabschnitt 11, einen Halsabschnitt 13 mit geringerem Durchmesser auf, der sich in eine Lagerschale 12 fortsetzt. Die Lagerschale 12 weist eine zur Außenkontur des Innenkörpers 21 komplementäre Innenkontur in Form eines kugelförmigen Hohlraums auf, dessen Innendurchmesser mit dem Durchmesser des Innenkörpers 21 eine Spielpassung bildet. Außen an der Lagerschale 12 erstrecken sich drei über den Umfang verteilte Laschen, von denen im Teilschnitt der 1 eine Lasche 14A teilweise geschnitten und eine Lasche 14B ungeschnitten erkennbar ist, in Längsrichtung des Stößels 10. Sie weisen einen gegenüber dem Dichtungsabschnitt 11 größeren Außendurchmesser auf und verhindern so selbst bei einem Versagen des Kugelgelenks 12, 21 ein Verlieren des dann ungefesselten Stößels 10 in den Strömungskanal des Gasturbine. Die Laschen 14A, 14 bilden somit eine Einfallsicherung und dienen gleichzeitig zur Führung des Stößels 10 beim Ein- und Ausführen in die bzw. aus der Einführöffnung.
Der Innenkörper 21 ist in der Lagerschale 12 aufgenommen, um das Kugelgelenk zu bilden. Hierzu werden Innenkörper und Lagerschale zusammen generativ hergestellt. Dies ist in 2 veranschaulicht, die das Verschlusselement in einer Phase seiner Herstellung zeigt.
Wie man in 2 erkennt, werden Innenkörper 21’ und Lagerschale 12’ schichtweise zusammen aufgebaut. Hierzu wird wiederholt auf einer jeweils vorhergehenden Bauteilschicht verfestigbares Material M aufgebracht und lokal, beispielsweise durch Belichtung mit einem Laserstrahl L oder chemische Befeuchtung, verfestigt. Auf diese Weise kann der Innenkörper 12’ zusammen mit der Lagerschale 21’ in dieser aufgenommen hergestellt werden. Der Schritt eines nachträglichen Einführens des Innenkörpers in die Lagerschale mit hierzu notwendiger Aufweitung der Lagerschale und/oder Kompression des Innenkörpers kann entfallen, was die Materialbeanspruchung und den Montageaufwand verringert und eine kompakte und leichte Bauweise ermöglicht.
Der übrige Stößel 10, insbesondere der Dichtungsabschnitt 11 und der Halsabschnitt 13, sind zuvor ebenfalls generativ hergestellt worden, wobei der Innekörper 12’ schichtweise an den Halsabschnitt 13 angesetzt wird. Auf diese Weise wird der Stößel 10 insgesamt als Hohlkörper hergestellt, bei dem der die Lagerschale 12 integral bzw. einstückig mit dem Halsabschnitt 13 verbunden ist.
Auch der Stopfen 20, insbesondere sein Befestigungsabschnitt 22, wird generativ hergestellt, indem an den Innenkörper 21 schichtweise der Stopfen 20 angeschlossen wird. Auf diese Weise wird der Stopfen 20 ebenfalls als Hohlkörper hergestellt, bei dem der Innenkörper 21 integral bzw. einstückig mit dem Befestigungsabschnitt 22 verbunden ist.
Vorstehend wurde eine gemeinsame generative Herstellung in Richtung zu einer Öffnung der Lagerschale 12 hin, durch die der Fortsatz 22 des Innenkörpers 21 hervorsteht, beschrieben. Dabei kann eine erste, in 2 linke Schicht des Innenkörpers 21’ beispielsweise auf einer Plattform 3 aufgebaut werden, die anschließend radial zusammen- und anschließend axial aus dem Innenkörper herausgezogen wird.Gleichermaßen können Innenkörper 21 und Lagerschale 12 gemeinsam generativ in Richtung von der Öffnung her geschehen, durch die der Fortsatz 22 des Innenkörpers 21 hervorsteht, in 2 also von rechts nach links. Dann wird zunächst beispielsweise der Befestigungsabschnitt 22 generativ, in 2 von rechts nach links, aufgebaut. Die Lagerschale 12 wird dann beispielsweise auf einer Plattform 3’ aufgebaut, wie sie in 1 strichliert angedeutet ist. Diese weist eine Öffnung auf, welche der Befestigungsabschnitt 22 bzw. beginnende Innenkörper 12 durchgreift. Die Plattform 3’ ist in der Zeichenebene der 1 teilbar und kann so nach Verfestigen der Stirnseite der Lagerschale 12 entfernt werden. Anschließend wird auch der übrige Stößel 10, insbesondere der Halsabschnitt 13 und der Dichtungsabschnitt 11, generativ hergestellt, indem an die Lagerschale 12 schichtweise angeschlossen wird.
3, 4 zeigen in zwei zueinander senkrechten Schnitten ein Kugelgelenk, das nach dem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung hergestellt worden ist und beispielsweise als Kugelgelenk des vorstehend mit Bezug auf 1, 2 beschriebenen Verschlusselements verwendet werden kann. Innenkörper 210 und Lagerschale 210 dieses Kugelgelenks ersetzen dann die dort beschriebenen Elemente 21 bzw. 12.
Die Innenkontur der Lagerschale 120 ist, wie in der Zusammenschau der beiden Schnitte der 3, 4 erkennbar, im Wesentlichen sphärisch und weist nur auf der in 3, 4 linken Seite eine schmale Rippe 121 auf. Die Außenkontur des Innenkörpers 210 ist teilweise ebenfalls sphärisch, weist jedoch zwei einander gegenüberliegende ebene Flächen 211 (oben, unten in 3) auf, die sich gedanklich durch Abtrennen entsprechender Kugelsegmente von einer kugelförmigen Außenkontur ergeben und in der Rippe 121 münden. Diese bildet damit eine rippenartige Stützstruktur.
Das Kugelgelenk wird generativ aus einem Metallpulver hergestellt, indem, in 3, 4 von links kommend, die Lagerschale 120 schichtweise aufgebaut wird, wie vorstehend beschrieben. Dabei wird ihre Innenkontur zusammen mit der Stützstruktur 121 weitergebaut, aus der sich dann der Innenkörper 210 fortsetzt, der im Ausführungsbeispiel der 3, 4 als Vollkörper ausgebildet ist, jedoch gleichermaßen, wie in 1, 2 und 5 gezeigt, als Hohlkörper ausgebildet sein könnte.
Auf diese Weise ist keine Plattform 3, 3’ erforderlich, wie vorstehend mit Bezug auf 1, 2 erläutert. Innenkörper 210 und Lagerschale 120 werden, durch die Stützstruktur 121 miteinander verbunden, gemeinsam generativ aufgebaut.
Anschließend wird durch gewaltsames Drehen des Innenkörpers 210 in der Lagerschale 120 die schmale Rippe bzw. Stützstruktur 121 zerstört, insbesondere gebrochen, so dass Innenkörpers 210 und Lagerschale 120 gegeneinander beweglich sind. Dabei entsprechen sich die Umhüllenden von Innen- und Außenkontur und definieren so die Drehfreiheitsgrade des Kugelgelenks, Innen- und Außenkontur sind teilweise komplementär.
In einer Abwandlung ist der Innenkörper 210 teilweise sphärisch und teilweise kegelfömig ausgebildet. Dann ist der Schnitt der 4 durch einen zu 3 identischen Schnitt ersetzt zu denken, das Bezugszeichen 211 bezeichnet in dieser Abwandlung die Mantelfläche des Kegelabschnitts des Innenkörpers 210. Die Stützstruktur 121 ist dann nicht mehr rippen-, sondern stabförmig und erstreckt sich radial von der Spitze des Kegelabschnitts 211 zur sphärischen Innenkontur der Lagerschale 120.
5 zeigt in 3, 4 entsprechender Darstellung ein Kugelgelenk nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung. Einander entsprechende Elemente sind durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet und durch einen Apostroph differenziert, im Übrigen wird auf die Beschreibung der 3, 4 Bezug genommen.
In der Ausführung der 5 weist auch der als Holkörper ausbildete Innenkörper 210’ eine im Wesentlichen sphärische Außenkontur auf und ist bei der Herstellung durch eine stabförmige Stützstruktur 121’ mit der Lagerschale 120’ verbunden, die anschließend durch gewaltsame Bewegung des Innenkörpers 210’ in der Lagerschale 120’ zerstört, insbesondere gebrochen, wird, so dass Innenkörpers 210’ und Lagerschale 120’ gegeneinander beweglich sind. Wie vorstehend mit Bezug auf 3, 4 beschrieben, werden zunächst die Lagerschale 120’ und dann, beginnend mit der Stützstruktur 121’, Lagerschale 120’ und Innenkörper 210’ gemeinsam generativ hergestellt, wobei der Innenkörper sich schichtweise aus der Stützstruktur fortsetzt. 5 zeigt Innenkörper 210’, Stützstruktur 121’ und Lagerschale 120’ während der generativen Herstellung als gemeinsames Bauteil und daher einheitlich schraffiert, 3, 4 Innenkörper 210, Stützstruktur 121 und Lagerschale 120 nach der generativen Herstellung als gemeinsames Bauteil und anschließender Trennung und daher unterschiedlich schraffiert.
Bezugszeichenliste

3; 3’: Plattform
10: Stößel
11: Dichtungsabschnitt
12(’): Innenkörper (während der Herstellung)
13: Halsabschnitt
14A, 14B: Lasche (Einfallsicherung)
20: Stopfen
21(’): Lagerschale (während der Herstellung)
22: Befestigungsabschnitt
120; 120': Innenkörper
121: Rippe/Stab (Stützstruktur)
121’: Stab (Stützstruktur)
210, 210',: Lagerschale
M: (Schicht) verfestigbares Material
L: Laserstrahl

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6468033 B1 [0003]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Verschlusselements (10, 20) nach Anspruch 8 oder einem der darauffolgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Innenkörper (12’; 120; 120’) und/oder Lagerschale (21’; 210; 210’) schichtweise durch ein generatives Verfahren hergestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Schicht des Innenkörpers (21’; 210; 210’) innerhalb der Lagerschale, insbesondere zusammen mit einer Schicht der Lagerschale (12’; 120; 120’), generativ hergestellt wird; und/oder dass wenigstens eine Schicht der Lagerschale (12’; 120; 120’) den Innenkörper umgebend, insbesondere zusammen mit einer Schicht des Innenkörpers (21’; 210; 210’), generativ hergestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einer von dem Stopfen (20) und dem Stößel (10) integral mit einer von der Lagerschale (12’; 120; 120’) oder dem Innenkörper (21’; 210; 210’) hergestellt oder, insbesondere stoffschlüssig, damit verbunden wird.
Verfahren zum Herstellen eines Kugelgelenks (120, 210; 120’, 210’) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Innenkörper (210; 210’) und Lagerschale (120; 120’) durch eine Stützstruktur (121; 121’) miteinander verbunden schichtweise durch ein generatives Verfahren gemeinsam hergestellt werden, und dass anschließend die Stützstruktur (121; 121’), insbesondere durch eine Relativbewegung zwischen Innenkörper (210; 210’) und Lagerschale (120; 120’), zerstört wird, um Innenkörper und Lagerschale gegeneinander beweglich zu machen.
Kugelgelenk mit einer Lagerschale (121; 121’) mit einer Innenkontur, und mit einem Innenkörper (210; 210’) mit einer, insbesondere hierzu wenigstens teilweise komplementären, Außenkontur, der in der Lagerschale drehbar aufgenommen ist, dadurch gekennzeichnet, dass es durch ein Verfahren nach Anspruch 6 hergestellt worden ist.
Kugelgelenk nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenkontur des Innenkörpers (210; 210’) wenigstens teilweise sphärisch und/oder teilweise eben und/oder kegelförmig ist.
Kugelgelenk nach einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützstruktur (121; 121’) wenigstens im Wesentlichen stab- oder rippenförmig ausgebildet ist.
Verschlusselement zum Verschließen einer Inspektionsöffnung einer Turbomaschine, insbesondere einer Gasturbine, mit einem Stößel (10) mit einem Dichtabschnitt (11) zum Verschließen der Inspektionsöffnung, und einem Stopfen (20) zum lösbaren Befestigen an der Turbomaschine, der durch ein Kugelgelenk (12, 21; 120, 210; 120’, 210’), insbesondere nach einem der Ansprüche 5 bis 7, mit dem Stößel verbunden ist, welches einen Innenkörper (21; 210; 210’) mit einer Außenkontur aufweist, der in einer Lagerschale (12; 120; 120’) mit einer, insbesondere hierzu wenigstens teilweise komplementären, Innenkontur drehbar aufgenommen ist, dadurch gekennzeichnet, dass es durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 hergestellt worden ist.
Verschlusselement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der eine von der Lagerschale (12; 120; 120’) und dem Innenkörper (21; 210; 210’) mit einem von dem Stößel (10) und dem Stopfen (20), und der andere von der Lagerschale (12; 120; 120’) und dem Innenkörper (21; 210; 210’) mit dem anderen von dem Stößel (10) und dem Stopfen (20), insbesondere stoffschlüssig oder integral, verbunden ist.
Verschlusselement nach Anspruch 8 oder einem der darauffolgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenkontur des Innenkörpers (21; 210; 210’) wenigstens teilweise sphärisch ist.
Verschlusselement nach Anspruch 8 oder einem der darauffolgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtabschnitt (11) eine wenigstens teilweise sphärische Außenkontur aufweist.
Verschlusselement nach Anspruch 8 oder einem der darauffolgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es wenigstens teilweise als Hohlkörper ausgebildet ist.
Verschlusselement nach Anspruch 8 oder einem der darauffolgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stößel eine Einfallsicherung (14A, 14B) gegen ein Einfallen des Dichtabschnitts in die Inspektionsöffnung aufweist.
Verschlusselement nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Einfallsicherung eine größere maximale Querschnittsabmessung, insbesondere einen größeren Außendurchmesser, aufweist als der Dichtabschnitt.
Verschlusselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche 13 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Einfallsicherung eine umlaufende, insbesondere zylindrische, Mantelfläche und/oder wenigstens eine Lasche (14A, 14B) aufweist.
Verwendung eines Verschlusselements nach Anspruch 8 oder einem der darauffolgenden Ansprüche zum Verschließen einer Inspektionsöffnung einer Turbomaschine, insbesondere einer Gasturbine.