CN102655975B - 用于制造钛物体的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及通过实体自由成形制造来制造物体，特别是由钛或钛合金制成的物体的方法和反应器。通过实体自由成形制造的可焊接材料的物体的制造的反应器包括对于环境气氛关闭的反应室，其中对所述反应器进行设计，使得形成所述反应室的所有邻接壁元件以钝角(大于90°)接合；对位于所述反应室下方的致动器进行设计，使得所述致动器通过所述反应室底部的开口而突出到所述反应室内并将支持基材保持在所述反应室内，所述开口被至少一种弹性不透气膜密封，所述弹性不透气膜是不透气的且在所述开口处附着至所述反应器壁并附着至所述致动器；对位于所述反应室外部的致动器进行设计，使得所述致动器通过所述反应室侧面的开口而突出到所述反应室内并将具有所述可焊接材料的送线器的高能量等离子体转移弧焊炬保持在所述反应室内侧，所述开口被至少一种弹性不透气膜密封，所述弹性不透气膜是不透气的且在所述开口处附着至所述反应器壁并附着至所述致动器；并且所述反应器装备有位于所述反应室最低水平的至少一个可关闭的进气口和位于所述反应室的最高水平的至少一个可关闭的出气口。

Description

用于制造钛物体的方法和装置
技术领域
本发明涉及用于通过实体自由成形制造来制造物体(目标，对象)，特别是钛和钛合金物体的方法和反应器。
背景技术
由钛或钛合金制成的金属构造部件通常通过铸造、锻造或机械加工而由坯(billet)制得。这些技术在制造中具有昂贵的钛金属的高材料使用和大的研制周期的缺点。
全致密实体物体(物理对象，实体目标，physicalobjects)可以通过称为快速原型、快速制造、分层制造或其他制造的制造技术来制得。这种技术采用计算机辅助设计软件(CAD)以首先构建要制备的物体的虚拟模型，然后将所述虚拟模型转变成通常水平取向的薄平行片(slices)或层。然后，可以通过如下来制备实体物体：铺放(放下)与虚拟层的形状类似的液体糊、粉末或片材形式的原料的连续层直至形成整个物体。将所述层熔合在一起以形成固体致密物体。在沉积熔合或焊接在一起的固体材料的情况下，所述技术也被称为实体自由成形制造。
实体自由成形制造是可以以相对快的制造速率，通常对于每个物体从几小时至几天变化来形成几乎任何形状的物体的灵活技术。所述技术因此适合于形成原型和小制造系列，但是较不适合于大体积制造。
现有技术
分层制造的技术可以被扩展为包括沉积构成材料的片，即将物体的虚拟模型的各个构造层分为一组片，所述片在并列放置时形成所述层。这使得可以通过如下来形成金属物体：以形成根据物体的虚拟分层模型的每个层的连续条将线焊接到基材(衬底，基板)上，并对于每个层重复所述工艺直至形成整个实体物体。焊接技术的精度通常太粗糙而使得不能直接形成具有可接受尺寸的物体，由此通常将形成的物体看作是未加工物体或预成型物(预成型件)，其需要被机械加工为可接受的尺寸精度。
Taminger和Hafley[1]公开了由与电子束自由成形制造(EBF)结合的计算机辅助设计数据来直接制造金属构造部件的方法和装置。所述构造部件通过在连续层上焊接金属焊接线而构造，所述金属焊接线通过由电子束提供的热能焊接。将所述方法(工艺)示意性地示于图1中，其是[I]的图1的复制(复制件)。EBF方法(工艺)涉及在高真空环境中将金属线进料到由聚焦电子束制备并支持的熔池(熔融池)中。通过如下来获得电子束和焊接线的定位：使电子束枪和定位系统(支持基材)沿一个或多个轴(X、Y、Z和旋转)可移动地铰接并通过四个轴移动控制系统来调整所述电子束枪和所述支持基材的位置。所述方法声称在材料使用中接近100％有效且在功率消耗中95％有效。可以对大量金属沉积和更精细的详细沉积两者采用所述方法，并且所述方法声称与机械加工金属部件的常规途径相比，在研制周期下降以及较低的材料和机械加工成本上获得了显著的效果。
电子束技术具有依赖于沉积室中的10-1Pa以下的高真空的缺点。这可以通过等离子体转移弧用聚焦电子束代替局部加热来避免。在这种情况下，局部熔体池的形成通过在两个惰性电极之间的电弧放电而产生的热并通过惰性等离子体形成气体的聚焦流股将所述热送到熔化点上来获得。这种方法可以在大气压力下容易地应用并由此允许更简单且更不昂贵的处理设备。在US7326377和US2006/185473中公开了这种技术的实例。这种技术有时被称作等离子转移弧实体自由成形制造(PTA-SFFF)。
US2006/185473公开了一种方法，其中以显著降低原料成本的方式，通过将钛进料和合金成分结合而以相对低成本的钛进料材料将高能量等离子体束如焊炬代替传统使用的非常昂贵的激光用于实体自由成形制造(SFFF)工艺中。更特别地，在一个方面中，本发明采用成本低于合金线的纯钛线(CPTi)，并通过在焊炬或其他高功率能量束的熔体中将CPTi线与粉末合金成分结合而在SFFF工艺中将CPTi线与粉末状的合金成分原位结合。在另一个实施方式中，本发明采用与合金化元素混合并形成为线的钛海绵材料，其中可以在与等离子体焊炬或其他高功率能量束组合的SFFF工艺中使用其以制造近似网状的钛部件。将根据US2006/185473的方法示意性地绘于图2中，其是该文献的图1的复制(复制件)。
可以在与氧接触时对在400℃之上加热的钛金属或钛合金进行氧化。因此，必须保护通过对抗环境气氛中的氧的分层制造而形成的焊接且加热的物体。WO2009/068843公开了用于焊接的惰性气体护罩(shield)，其产生了保护惰性气体的平稳流出(evenoutflow)。通过将所述护罩置于需要被保护的物体上方，平稳的惰性气体流会置换环境气氛而不产生可能夹带环境含氧气体的涡流。所述护罩被形成为惰性气体进入到内部的中空盒并使得通过在所述盒的一个壁中制造的一组窄开口而使所述盒的内部逸出。
发明目的
本发明的主要目的是提供用于以钛或钛合金来快速分层制造物体的方法。
本发明的另一个目的是提供使得进行根据本发明的方法的沉积室。
发明内容
本发明基于如下认识：通过使沉积室充分没有氧，使用保护措施以避免通过环境气氛氧而氧化新焊接区域的需求不再存在，使得可以以较大的速度进行焊接工艺。例如，在钛或钛合金的物体的制造中，不再需要将焊接区冷却至低于400℃以避免氧化。
因此，在第一个方面中，本发明涉及通过实体自由成形制造而以可焊接的材料制造物体的方法，其中所述方法包括：
-创建(制作)待形成的物体的虚拟三维模型，
-将所述虚拟三维模型分为一组虚拟平行层，然后将每个层分为一组虚拟的准一维片，从而形成所述物体的虚拟矢量化分层模型(虚拟向量化分层模型)，
-将所述物体的所述矢量化(向量化)分层模型装载到能够调整置于封闭反应容器中的线进料系统、支持基材和高能量等离子体转移弧焊炬的位置和活化的焊接控制系统中，
-利用压力为约105Pa且包含最大50ppm氧的惰性气氛置换封闭反应容器内部的气氛，
-使所述控制系统运行(接合，engaging)以根据所述物体的所述虚拟矢量化分层模型的第一层的图案(模式)将可焊接材料的一系列准一维片焊接到所述支持基材上，
-通过以根据所述物体的所述虚拟矢量化分层模型的第二层的图案将所述可焊接材料的一系列准一维片焊接到预先沉积的层上而形成所述物体的第二层，以及
-对于所述物体的虚拟矢量化分层模型的每个连续层，逐层重复所述焊接工艺，直至形成整个物体。
如本文中所用的术语“物体的虚拟矢量化(向量化)分层模型”是指待形成的物体的三维计算机表示，其中将所述物体分为一组平行层并且其中将每个层分为一组准一维片。如本文中所用的术语“准一维片”是指当以根据虚拟模型的具体图案并列放置时(或者当根据虚拟模型以具体图案并列放置时)会形成待形成的物体的焊接材料的纵向类棒片。所述类棒片可以是弯曲的(弧形的)或直线的。可以通过共同焊接对应于虚拟矢量化分层模型的每个虚拟准一维片的焊接线的片而将虚拟矢量化分层模型转变成实体物体。
虚拟模型包括维度的信息且对其给出了对应于待制造的实体物体的三维设计的三维设计。虚拟矢量化分层模型于是可用作用于物体的物理构造的模板。即，将虚拟模型转变成由实体自由成形制造设备的控制系统执行的建造指令，使得通过以连续条将线焊接到基材上而逐件制造实体物体，其中每个焊接条对应于虚拟矢量化分层模型的一片。将制造方法的原理示于图1中，其示出了通过电子束自由成形制造(EBF)将片焊接到第一层上来构造金属物体。本发明可以将用于计算机辅助设计的任何已知的或想得到的软件应用于构建虚拟矢量化分层模型。
可以将根据本发明第一方面的方法与适合用于实体自由成形制造的任何材料一起使用。这包括任何可焊接的金属或合金化金属和聚合材料。所述方法特别适合用于以钛或合金化的钛来制造物体。
惰性气体可以是在低于材料的软化温度的温度下，对所用可焊接材料化学不活泼的任何气体。惰性气体可有利地为具有比空气更高的密度的气体，以便减轻用惰性气体对反应室内部的空气的置换。氩气是合适的惰性气体的一个实例，但是还可以包括氦气、Ar-He或其他惰性气体的气体混合物。当惰性气体包含大于50ppm氧时，钛和合金化的钛的氧化问题变成问题。然而，氧水平可有利地较低，诸如约20ppm氧。
钛或合金化的钛物体的现有技术等离子体转移弧实体自由成形制造的一个持续问题是在大于约400℃的温度下需要保护金属不受环境气氛中的氧影响。这导致定期中断焊接工艺以避免形成物体的部件的过热。通过在焊接区域中使用具有小于50ppm氧的气氛，基本上降低了对于定期间隔以避免过热的这种需求，因为可以使得在大于400℃下对物体进行加热。当使用缺氧气氛时工艺的唯一温度限制是沉积金属相的温度必须低于金属的软化点。如本文中使用的术语“软化点”是指在试验的规定条件下，材料(即钛或合金化的钛)实现特定程度的软化的温度。所述软化点取决于所用合金，但是当使用钛或合金化的钛时，其典型地大于800℃以上。
在第二个方面中，本发明涉及一种用于通过实体自由成形制造而制造可焊接材料的物体的反应器，其中所述反应器包括：
-反应室(1)，其对于环境气氛是关闭的，
-致动器(actuator)(2)，其控制放置在所述反应室内部的支持基材(3)的位置和移动，
-致动器(4)，其控制具有送线器(wirefeeder)的高能量等离子体转移弧焊炬(5)的位置和移动，
-控制系统，其能够阅读待形成的物体的虚拟三维矢量化分层模型并将所述虚拟模型用于控制致动器(2，4)的位置和移动、焊炬(5)和送线器的运行，使得通过根据待形成的物体的虚拟三维矢量化分层模型，将可焊接材料的准一维片的分层结构焊接到所述支持结构上而构造实体物体，
其特征在于，
-所述反应室的壁的所有邻接壁元件(6)以钝角(大于90°)接合，
-所述致动器(2)从所述反应室下方延伸并通过所述反应室壁中的开口(7)而突出(伸入)到所述反应室内，并将所述支持基材(3)保持在所述反应室内，
-所述开口(7)被至少一种弹性不透气膜(8)密封，所述弹性不透气膜(8)在所述开口(7)处气密性地附着至所述反应器壁并附着至所述致动器(2)，
-所述致动器(4)从所述反应室的外部延伸并通过所述反应室的壁的开口(9)而突出到所述反应室内，并将具有所述可焊接材料的送线器的所述高能量等离子体转移弧焊炬(5)保持在所述反应室内，
-所述开口(9)被至少一种弹性不透气膜(10)密封，所述弹性不透气膜(10)是不透气的且在所述开口(9)处附着至所述反应器壁并附着至所述致动器(4)，以及
-所述反应器装备有至少一个位于所述反应室的下部的可关闭的进气口(气体进口)(11)和至少一个位于所述反应室的上部的可关闭的出气口(气体出口)(12)。
如本文中所用的术语“反应室的壁”包括构成反应室的封闭隔室(enclosedcompartment)的所有边，其包括地板和天花板，除非另有规定。如本文中所用的术语“反应室的下部”是指在反应室的较低水平中(接近地板)的一些位置，而如本文中所用的术语“反应室的上部”是指在反应室的较高水平(接近天花板)中的一些位置。
以钝角接合构成反应室壁的壁元件与至少一个在室下部的可关闭的进气口和至少一个在反应室上部的可关闭的出气口结合的特征提供了以简单且有效的方式利用惰性纯氩气、氦气或Ar-He的气体混合物来置换室内部的气氛的能力，其实际上消除了夹带要被置换的含氧气体的残余部分的涡流和回流区域。因此，可以将该特征看作利用惰性气体有效填充反应室的工具(手段)。因此，如本文中所用的术语“最高水平”是指反应室相对于重力场的最高部分，且术语“最低水平”是指反应室相对于重力场的最低部分。
在邻接壁元件之间的钝角的效果增大了所用的较大角。然而，反应器隔室会随着角的增大而增大。因此，实际上，必须在室内部避免锐边的需求和反应室尺寸之间找到一个平衡(折衷)。因此，所述钝角实际上应该在95到130°之间，更适当地在100到120°之间。
将控制支持基材和焊炬(包括送线器)的位置和移动的致动器的主要部件放在反应室的外部上的特征是尽可能地低地减少绕反应室内部的制造设备形成回流区或涡流形成区的可能性，由此帮助在开始物体的实体自由成形制造之前，吹洗反应室中的氧的工艺。室的吹洗通过以至少5mm的相互距离，放置通过反应器壁的电缆、管等来缓和。
反应室中的开口的弹性气密性密封可以通过使用一层或多层弹性且不透气的橡胶来获得。可以通过使用附着至反应器壁的夹持框架和附着至致动器臂的夹持环来附着一个或多个橡胶片，所述致动器臂通过所述开口突出(伸入)到所述反应室中。以这种方式，对致动器臂给出相对于反应器壁相当自由地移动的可能性并且还通过弹性不透气橡胶获得反应器壁中的开口的气密性关闭。
可以通过载入充分的氩气以在反应室内部获得与大气压相比稍微升高的压力，诸如例如比大气压高约100Pa来提高反应器的氧保护。反应室还可以装备有测量仪器以检测室内部的惰性气氛中的氧、氮和其他气体含量的一种或多种，由此使得可以在达到对于正在制造的金属物体有害的水平之前，吹洗反应室中的不可接受的氧、氮等水平的最终产生。
根据本发明第二方面的反应室可以用氩气或其他惰性气氛容易地填充以获得氧浓度为50ppm以下的室内部的气氛。在这种低氧水平下，没有显著的不可接受地氧化正在形成的物体的风险，使得可以在与现有技术实体自由成形制造方法相比升高的温度下进行焊接工艺。可以将物体的温度升高至可达软化点。在使用钛或合金化的钛的情况下，在物体的分层制造期间，金属的温度可以高达800℃以上。与需要低于400℃的温度的现有技术相比，这种特征将由此显著地降低在利用焊接工艺继续进行之前冷却新形成的金属薄片(web)所需要的时间。
通过使用根据本发明第二方面的反应室，观察到，通过仅载入与室体积相同量的惰性气体，在获得层流的流动条件下以稳定的容易方式通过室底部中的进气口载入氩气，可以对室内部的空气进行完全吹洗并还获得约20ppm氧的惰性氩气氛中的氧含量。因此，在填充氩气期间不必形成溢流，仅温和地推出空气并停止填充惰性气体且一旦将空气全部推出则关闭室顶部的惰性气体出口是足够的。这提供了非常少利用昂贵的惰性气体的优势。
反应室还可以包括封闭冷却回路，在所述封闭冷却回路中将惰性气体从室中取出，通过热交换器以降低其温度，然后以封闭循环回路将其载入到反应室内。该特征有利于在以高功率运行焊炬的情况下避免反应室的过热。可以以5-6kW以上的效果运行焊炬，并且在这种情况下，会将1-2m3的密封反应室空间加热至高温而不需要室内部的气相的主动冷却。
本发明可以使用任何已知的或想得到的用于操作致动器、焊炬和送线器的控制系统。所述致动器可有利地装备有四轴移动控制系统(X，Y，X和旋转)。本发明可以使用任何已知的或想得到的能够通过称为等离子体转移弧实体自由成形制造(PTA-SFFF)的技术进行金属物体的分层制造的焊炬和送线器系统。这种设备的一个实例示于图2中，其是US2006/0185473的图1的复制。
附图说明
图1是示出了实体自由成形制造的原理的示意图的[1]的图1的传真。
图2是示出了等离子体转移弧实体自由成形制造的原理的示意图的US2006/01854673的图1的传真。
图3是根据本发明的反应器的一个实施方式的示意性侧视图。
图4是用于保持两层柔性气密膜的夹持框架的实施方式的展开图，所述两层柔性气密膜封闭根据本发明的反应室的底部中的开口。
图5a和5b是根据本发明的反应器的实施方式的不同侧视图。
具体实施方式
将根据本发明第二方面的本发明的发明特征示意性地示于图3中。
所述图示出了反应室1，其具有由一组壁元件6制造的内部封闭隔室。设置壁元件6，使得没有锐边，即具有以90°以下的角度成角的壁的边。反应室的所有内部壁角α都是钝角(大于90°)。控制支持基材3的位置和移动的致动器2位于反应室的外部且通过开口7突出，使得支持基材3位于反应室内部。开口7通过弹性气密膜8关闭。控制具有用于进料可焊接材料的线的送线器的高能量等离子体转移弧焊炬5的位置和移动的致动器4位于反应室的外部并且通过开口9突出，使得具有送线器的高能量等离子体转移弧焊炬5位于反应室内部。开口9通过弹性气密膜10关闭。反应室装备有至少一个可关闭的进气口11和至少一个可关闭的出气口12，以便利用惰性气体吹洗反应室中的含氧气体并置换该气体。
图4示出了可用于保持两层弹性气密膜的夹持框架7的展开图。通过形成具有使得边进入到两个夹持框架之间的空间中的尺寸的两片膜，所述膜可以通过将夹具固定至反应器壁，使得它们相互压靠而牢固地并气密性地附着至反应器壁6。突出到室内部的致动器臂2通过夹持环13中的孔伸出。对环13的尺寸进行调节以绕致动器臂形成气密柄。以与夹持框架7相同的方式将气密膜附着至夹持环13。所述图还示出了可关闭的进气口11的方位的实例。
图5a和5b示出了反应器100的示例性实施方式的两个不同的侧视图。反应器100由许多壁元件106组成以形成封闭的小室。所述壁元件可以设置有气密性玻璃窗116以使得可目视观察所述工艺或者设置有气密门以使得可以在形成物体前后进入到室内。所述实施方式装备有冷却回路，其包括出气口102、进气口103和热交换器101。从图5a可以看出，通过使用保持弹性橡胶膜110的夹持框架109将为了放置一个致动器而打开的侧壁关闭(为了提供清晰度，未示出通过所述膜进入的致动器)。从图5b可以看出，通过使用保持弹性橡胶膜108的夹持框架107来关闭底部开口(为了提供清晰度，未示出通过所述膜进入的致动器)。
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Claims (9)

1.一种通过实体自由成形制造来生产可焊接材料的物体的反应器，其中所述反应器包括：
-反应室(1)，所述反应室(1)对于环境气氛是关闭的，
-第一致动器(2)，所述第一致动器(2)控制置于所述反应室内部的支持基材(3)的位置和移动，
-第二致动器(4)，所述第二致动器(4)控制具有送线器的高能量等离子体转移弧焊炬(5)的位置和移动，
-控制系统，所述控制系统能够阅读待形成的物体的虚拟三维矢量化分层模型并将所述虚拟三维矢量化分层模型用于控制所述第一致动器(2)和所述第二致动器(4)的位置和移动、焊炬(5)和送线器的运行，使得通过根据待形成的物体的所述虚拟三维矢量化分层模型，将所述可焊接材料的准一维片的分层结构焊接到支持结构上而构造实体物体，
其特征在于，
-所述反应室的壁的所有邻接壁元件(6)以钝角接合，
-所述第一致动器(2)从所述反应室下方延伸并通过所述反应室壁中的第一开口(7)而突出到所述反应室内，从而将所述支持基材(3)保持在所述反应室内，
-所述第一开口(7)被至少一种弹性不透气膜(8)密封，所述弹性不透气膜(8)在所述第一开口(7)处气密地附着至所述反应器壁并附着至所述第一致动器(2)，
-所述第二致动器(4)从所述反应室的外部延伸并通过所述反应室壁的第二开口(9)而突出到所述反应室内，从而将具有所述可焊接材料的送线器的所述高能量等离子体转移弧焊炬(5)保持在所述反应室内，
-所述第二开口(9)被至少一种弹性不透气膜(10)密封，所述弹性不透气膜(10)在所述第二开口(9)处气密地附着至所述反应器壁并附着至所述第二致动器(4)，以及
-所述反应器装备有位于所述反应室下部的至少一个可关闭的进气口(11)和位于所述反应室上部的至少一个可关闭的出气口(12)，
其中，所述反应器填充有氩气作为惰性气体并且其中所述进气口(11)装备有用于将氩气压力调整为比环境大气压力高100Pa的设备，并且，
其中，所述反应器装备有用于测量所述反应室内部的惰性气氛的氧含量的设备以及用于在氧浓度升高到预设最大值之上的情况下利用新鲜惰性气体执行所述反应室的吹洗的设备。
2.根据权利要求1所述的反应器，其中，所述弹性不透气膜(8，10)为气密性弹性橡胶(8，10)，通过使用两层气密性弹性橡胶(8，10)来关闭所述第一开口(7)和所述第二开口(9)，所述气密性弹性橡胶(8，10)通过使用附着至所述反应器壁的夹持框架(109)和附着至所述第一致动器(2)和所述第二致动器(4)的致动器臂的夹持环附着，所述致动器臂通过所述第一开口(7)和所述第二开口(9)突出到所述反应室中。
3.根据权利要求1所述的反应器，其中，将所述氧浓度的预设最大值设定为20ppm。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的反应器，其中，所述反应器装备有用于冷却所述反应室中的所述惰性气体的封闭冷却回路，所述封闭冷却回路包括惰性气体出口(102)、热交换器(101)和惰性气体进口(103)。
5.根据权利要求1所述的反应器，其中，在构成所述反应室内壁的任何邻接壁元件(6)之间的钝角在95°到130°之间。
6.根据权利要求1所述的反应器，其中，在构成所述反应室内壁的任何邻接壁元件(6)之间的钝角在100°到120°之间。
7.根据权利要求1所述的反应器，其中，所述可焊接材料是可焊接的金属、或聚合材料。
8.根据权利要求1所述的反应器，其中，所述可焊接材料是可焊接的合金化金属。
9.根据权利要求1所述的反应器，其中，所述可焊接材料是钛或合金化的钛。
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